摘 要

众所周知，柴油机气缸盖是柴油机的主要组成部分。柴油机气缸盖的工作环境是十分的恶劣的，并且振动和噪声为柴油机气缸带来的损伤比较严重的。这也作为评价柴油机性能的一项重要指标。所以对于柴油机气缸盖的振动分析和噪声处理对于柴油机的稳定运行具有重大意义。

本文主要首先通过建模软件Pro/E建立出柴油机气缸盖的模型，然后再利用ANSYS软件对气缸盖的实体模型进行网格划分,有限元建模和模态分析。通过得到的气缸盖的6阶振动频率及振型图，并对试验模态分析与理论模态分析得到的参数进行对比，得出了需要优化缸盖进气管的结论。为未来的船用柴油机气缸盖的设计制造提供了理论依据。对于噪声部分通过相关论文文献的查找，借鉴比较成熟的处理方案。

关键词：柴油机气缸盖：振动：噪声

Abstract

As we all know, the diesel engine cylinder head is the main component of the diesel engine. The working environment of the cylinder head of a diesel engine is very harsh, and vibration and noise bring serious damage to the cylinder of the diesel engine. This is also an important indicator for evaluating the performance of a diesel engine. Therefore, the vibration analysis and noise processing of the diesel engine cylinder head are of great significance to the stable operation of the diesel engine.

In this paper, the model of diesel engine cylinder head is first established through the modeling software Pro/E. Then ANSYS software is used to mesh the solid model of the cylinder head, finite element modeling and modal analysis. Through the obtained 6th-order vibration frequency and vibration pattern of the cylinder head, and comparing the parameters obtained from the experimental modal analysis and the theoretical modal analysis, the conclusion that the cylinder head intake pipe needs to be optimized is obtained. It provides a theoretical basis for the design and manufacture of future marine diesel engine cylinder heads. For the part of the noise through the search for relevant papers, draw on a more mature treatment plan.

Keywords: diesel engine cylinder head: vibration: noise

目录

第一章绪论 1

1.1选题的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文研究的主要内容及技术路线 2

1.3.1 主要内容 2

1.3.2 技术路线 2

1.4 本章小结 2

第二章气缸盖的发展现状及工作特性 3

2.1气缸盖的定义及分类 3

2.1.1按圆柱数分类 3

2.1.2按阀门编号分类 3

2.1.3用材料分类 3

2.2气缸盖发展现状 4

2.3气缸盖的工作环境 4

2.4气缸盖的振动机理 5

第三章气缸盖模型的建立 6

3.1建模软件 6

3.2缸盖三维实体模型的建立 6

3.3缸盖有限元模型的建立 7

3.3缸盖的模态分析 9

3.4 本章小结 10

第四章 柴油机缸盖的试验模态分析 11

4.1试验模态分析理论 11

4.2试验目的 11

4.3试验内容 12

4.3.3试验模态分析与理论模态分析结果的比较 16

4.4本章小结 16

第五章气缸盖的噪声现状分析 17

5.1气缸盖噪声的分类 17

5.2柴油机气缸盖噪声发展国内外现状 17

5.3噪声的产生机理 18

5.4技术发展趋势 18

第六章结论与展望 20

6.1结论 20

6.2展望 20

致谢 21

参考文献 22

第一章绪论

1.1选题的背景及意义

柴油发动机是运输、农业、工程机械的重要动力源，但作为动力机器，它有其独特的优势^[1]。

由于振动和噪声等柴油发动机汽缸的设备和人们的生活产生重大影响,国内外国家提出某些要求柴油机缸盖的振动和噪声,并发布了一系列法律、法规执行。如《运输船舶的噪音标准》、《机械车辆噪音测量方法》、《声环境质量标准》等。如今，主攻目的为柴油机气缸减振和降噪是转变柴油机气缸盖自己固有的特征和布局的频率响应,并采取响应的办法,有效地避开固有频率柴油机气缸盖的正常运行^[2]-[4]。

本文将采用三维建模软件Pro / E，对船用柴油机缸盖进行有限元分析软件ANSYS仿真分析，分析其频率、振型和最大变形，为未来的缸盖优化设计提供重要依据。

在机械操作过程中，当所有部件磨损时，机械动力学将会改变，并且振动随时会改变。通过检测机器关键部位的振动现象，可以分析振动信号，了解被测物体的内部运行状态，从而诊断故障的原因、程度、位置和发展趋势。

1.2 国内外研究现状

在20世纪70年代后期，它开始将振动检测应用于船舶柴油发动机的故障诊断中，R.H.Lyon教授进行了一些基础理论研究。T.Katagi和R.Kimura等人在日本一直利用振动和声音信号对船用柴油机缸体缸盖进行故障诊断研究[5]-[9]。比利时LMS对柴油机缸体的振动进行了详细的研究，并且它具有比较准确的仿真数据，并且与测试结果有很好的匹配，具有很高的实用价值^[10]。Shung H.Sung一直在对通过系统的系统进行大量的研究，并且它具有不同类型系统的振动响应的传递特性^[11]。Crocker.D.M和Lalor.N正在对气缸盖进行振动和噪声模拟计算，这是一个经验公式，已经在混合中使用，在的研究中没有详细说明^[12]。C.Y.Cheng和A.F.Seybert正在用BEM来研究柴油机表面的辐射噪音^[13];Kirkup.S.M与Tyrell.R.J采用结合有限元方法对振动噪声进行相关研究，然后通过试验数据分析计算结果的正确性^[14]。

国内有许多学者研究了柴油机缸体的振动噪声，并且已经由武汉理工大学的李玉军、胡璐、何睦、国玉莹等人进行了研究，使用有限元软件对柴油机机体的发动机缸体部件进行分析，并采用边界元法和有限元法预测振动噪声，并考虑机油和冷却水的影响以及发动机缸体的模拟，已应用于联合表面的限制性较强的梁单元^[15]-[20]。

一般来说，对柴油机气缸盖振动和噪声的钻研起步较早，技术水平也日益成熟。然而，由于商业原因，许多技术、实验数据和模型都是高度机密的，暂时不会对公众开放。我国相关研究具有起步晚、发展快的特点。通过对有限元软件的仿真分析和分析，通过分析不同因素对振动和噪声的影响，得到了低振动低噪声的柴油机模型。由于技术水平的限制和科研力量,国内研究还面临着一些问题,如计算的准确性的激励力量,之间的差异理论边界条件和实际情况,模型建立的准确性,结合表面的处理,等等。

1.3 论文研究的主要内容及技术路线

1.3.1 主要内容

气缸盖是柴油机的主要组成部分。燃料在燃烧室的燃烧产生的高温高压气体,气缸也受到复杂的机械和热应力,以及工作环境不好,所以气缸具有较强的强度和刚度,可以受到高温高压的影响。本文主要进行了柴油机气缸盖的研制、应用研究、柴油机燃烧室结构、缸盖工作原理及振动特性分析。首先通过建模软件建立出柴油机气缸盖的模型，然后再利用ANSYS软件对气缸盖的实体模型进行网格划分。分析了气缸盖的机械特性、振动和噪声状态，并根据仿真结果分析了缸盖的振动特性，并提出了噪声优化方案。

1.3.2 技术路线

（1）搜集并研究船用柴油机气缸盖相关文献，总结归纳国内外关于柴油机气缸盖的研究现状。

（2）学习Pro/E软件，搜集气缸盖相关参数，完成船用柴油机气缸盖的三维实体建模。

（3）学习有限元相关知识及ANSYS分析软件，对船用柴油机气缸盖的三维实体模型进行网格划分，建立有限元模型，对气缸盖进行振动分析，得出气缸盖振动特性。

（4）根据仿真结果分析气缸盖振动特点并找出噪声优化方案。

1.4 本章小结

本章主要介绍了论文选题的背景以及研究的意义所在，同时分析了船舶柴油机气缸盖振动的国内外研究现状及不足之处，介绍了本文研究内容和技术路线。

第二章气缸盖的发展现状及工作特性

2.1气缸盖的定义及分类

气缸盖作为柴油机的主要部件。它被用来关闭身体的上部。气缸盖由燃烧室空间与活塞和气缸套组成，保证了柴油机进气和排气过程的顺利进行。基本结构如图1所示。气缸盖是柴油机的固定部件，通常由铸铁或铝合金铸造。为了散热，气缸盖的内部采用水套。冷却液进入缸体水套的水箱(或散热器)在泵的压力下,然后通过汽缸垫进入内部气缸盖水套,然后从出口排出汽缸的结束,进入汽缸盖和回到水箱。气缸盖结构形式多样，分类方法较多。

2.1.1按圆柱数分类

（1）单气缸盖

单气缸盖是每一个气缸的单气缸盖，如单缸S1100气缸盖、S195柴油机和多缸190柴油机气缸盖。

（2）组合气缸盖

一种组合气缸盖，即两个气缸的一个气缸盖，如135系列柴油机气缸盖和120系列柴油机气缸盖。

（3）整体气缸盖

整个气缸的气缸盖，即每四或六个气缸的一个气缸盖，广泛使用的康明斯柴油机气缸盖是整体气缸盖。

2.1.2按阀门编号分类

（1）双阀气缸盖。

第二阀气缸盖首要用于小型或低压增压高速柴油机，如康明斯柴油机、斯太尔系列柴油机和120系列柴油机。

（2）四气门气缸盖。

四阀缸的气缸盖在每一个气缸上安置有四个阀，即进排气门。进气通道和排气通道被安插在气缸盖的每一侧上。四气门气缸盖的气道布置一般以两种方式连接和连接。同一名称的两个铭牌用于共享一个气道，例如一系列190个柴油发动机的气缸盖。两个同名的阀门连接一个独立的气道。

2.1.3用材料分类

(1)铸铁缸盖

铸铁气缸盖由灰铸铁、合金铸铁或球墨铸铁制成，如康明斯柴油机缸盖由灰铸铁锻造。
(2)铝合金缸盖

铝合金气缸盖具有导热性好、重量轻的特点，但其热强度低，易变形，成本高。铝合金缸盖今朝用于轻型高速柴油机，如用于12V150系列柴油机缸盖上的铝合金材料。

2.1.4气缸盖的功能：

在关闭了气缸的顶部之后，活塞和气缸套组成了一个密闭的气缸工作环境。气缸被压到机器阀体的正确位置，使活塞正常运动。安装各种柴油机配件，如喷油器、进气阀、气缸气动阀、指示阀、安全阀和阀摇杆装置。布局、排气、冷却水等。

2.2气缸盖发展现状

提出了多层“薄壁强背”机械应力和热应力的方案，近年来，采用双底缸盖结构的多台中速柴油机，其设计思想是将热负荷和机械载荷分开，利用薄板可以提高冷却效率。降低底部温差，这是一个薄板在热负荷下，较厚的顶板、中间隔板和圆周壁以改善机械载荷下的刚度，这是“薄壁强背”的原理。

2.3气缸盖的工作环境

热应力：随着负荷的增加和柴油发动机的冷却条件的增加，气缸盖的工作温度也会随之升高。工作温度在喷射器孔与阀座孔之间的前端区域是最高的。气缸盖接触表面与接触表面、中心与缸盖周边之间的温度差异很大。测量出柴油机运行时排气阀座孔的温度为430度，最大温差跨越200度。由于各部件的厚度不均匀，螺栓紧固的复杂形状和约束，热胀冷缩严重受阻，产生了巨大的热应力。热应力是导致气缸盖开裂的最主要的原因。

气体压力：气缸头总向上力的中心在气缸头的中心。气缸头螺栓压在气缸盖上，使气缸盖中心向上弯曲。对于缸盖的底板壁面，上拱变形导致接触面压紧并接触水面。其效果与热应力相同。

安装压力：气缸头螺栓的预紧力大约是缸盖底部最大爆炸力的几倍，以确保紧固和密封可靠。在预紧力和支撑力作用下，圆筒头也有向中心拱向上弯曲的趋势，也使气缸盖的底壁受压应力，而冷却水侧受拉应力。预应力与预载力成正比，是由ɑj表示的静应力，当安装不正确时，会出现大量的数值。

腐蚀：冷却表面存在潜在的差异。在电解质溶液中，腐蚀低电位的阳极。例如，在铸铁中，铁电势低于碳化铁；拉伸和拉伸之间的张力低于电压和变形部分；在冷却水中还存在较低的氧含量的电位。因此，这些部件中的金属会受到电化学腐蚀的腐蚀，在静态应力下，这些材料会造成材料的损失。防腐锌块是减少电化学腐蚀的有效途径。在机械应力状态下，麻点是应力的焦点，是疲劳的根源。当脉动应力和电化学腐蚀耦合在一起时，晶格滑移被侵蚀，并且金属的疲劳显著降低。这种现象称为腐蚀疲劳。底部的热气体在气缸盖中也具有较强的化学腐蚀作用。

2.4气缸盖的振动机理

在气缸盖表面，气缸盖振动激振源分析在振动响应信号中包含大量有用的信息，它们直接或间接地反映了激振力，可以通过振动信号的分析来研究。铝。其激发态及相关部分。通过分析柴油机的结构和工作过程，柴油机气缸盖振动激振力的影响面主要因为气缸压力是最重要和最原始的激振力之一，并应用于气缸盖；下部的进排气阀的垂直力作用在气缸的底面上。活塞不平衡往复惯性力。曲轴不平衡转动惯性力。机身振动等随机激励。在这些激励的工作中，气缸盖的表面产生一个复杂的振动，振动响应信号随时间变化，这是一个非平稳信号。从柴油机的总体结构、气缸的压力、气缸座到气缸的振动缸的位置，将机身用气缸盖传递到气缸盖上。这些激励力按一定的规则分别应用于气缸盖系统，频率特性不同。因此，气缸盖振动信号的表面是频率和振幅之间的一系列大的差异。瞬态响应的频率是相当复杂的，它是气缸压力和阀座碰撞的主要影响之一，并且它们不与气缸盖在时间上重叠。在柴油机工作过程分析中，缸内压力是柴油机振动（机身、气缸盖）和其它二次激振的最根本原因。同时，气缸盖是气缸压力最直接的影响因素之一，可用于气缸盖振动信号的表面故障诊断。

第三章气缸盖模型的建立

3.1建模软件

本文采用的三维建模软件是Pro/E。操作软件是美国参数化技术公司（PTC）的CAD/CAM/CAE集成3D软件。它是非常强大的，并被用于许多工程领域进行三维建模，这是丰富的模型，并涵盖几乎所有的物理结构在当前的工程领域中普遍使用。利用该软件建立各种模型的真实度较高，最大限度地保留了各种物理结构的特点，为后续在各种仿真领域的精确计算奠定了良好的基础。其卓越的造型性能得到了世界的高度赞誉和认可。它得到了很好的推广和应用，并在今天的同类软件中处于领先地位。

该软件具有许多特点。在上个世纪初出来，参数化设计的概念前所未有地运用了软件的操作，面对如何解决物理结构的相关性问题，它创造性地利用单一的数据库很好地处理了问题；安装方面，也体现了人性的一面。由于整个软件的特点，用户可能只使用了其中的一小部分，如果全部安装所有功能，将延长文件下载时间，占用更多不必要的硬盘空间。软件将其多个功能划分为不同的模块，使得软件的用户可以根据需要灵活地下载和安装所选模块。在模型制作方面，软件具有特征造型的功能。软件数据采集了大量的物理结构特征，设计人员可以根据自己的需要先简单绘制草图，然后参照本地结构、上述系统的物理特性数据，方便地完成LOC的处理。铝合金结构模型，如倒角、凸台、槽结构等。它大大节省了模型所产生的时间，给用户一个舒适的体验。

3.2缸盖三维实体模型的建立

柴油机气缸盖是一个基于三维物理建模软件Pro/E的三维实体模型。气缸盖是柴油机的重要组成部分。这是一个非常复杂的结构，有放置，排气，冷却水，油，喷嘴，气门和传动装置的开口。为了保证分析结果的准确性，提高分析效率，为了保证分析结果的准确性和柴油机气缸盖的建模，有必要对气缸盖零件进行适当的简化。在保证分析结果的可靠性和合格的网格质量的前提下，进行OLS、倒角、复杂曲面、锐角等）。

在圆角和角度的角度上，圆的角度和角的长度和小于1毫米的长度小于半径小于三毫米的角度；

（2）一些附在缸盖结构上的次要结构对整体分析结果没有很大影响，因此可以作适当简化；

（3）由于气缸盖进排气管结构的复杂曲线和具体结构参数的缺乏，汽缸盖的进排气管应简化为均匀截面的结构，避免之后的网格划分工作中在复杂曲面出现小于3以下的尖锐角，从而使网格质量降低。

PRO/E中建立好的缸盖的三维实体模型如图3.1所示：

图3.1某型柴油机缸盖三维实体模型

3.3缸盖有限元模型的建立

本文选用HyperMesh建立某型柴油机缸盖的有限元模型。缸盖三维实体模型网格的划分采用四面体四节点单元，选择的网格单元的基本尺寸为6mm，划分完成后单元数量为253425个。缸盖的材料属性如下：

表3.1 缸盖材料属性表

建立好的缸盖有限元模型如图3.2所示：

图3.2 某型柴油机缸盖有限元模型

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