冰箱壓縮機(jī)聲場(chǎng)數(shù)值分析及降噪優(yōu)化_圖文_第1頁(yè)
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1、浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文冰箱壓縮機(jī)聲場(chǎng)數(shù)值分析及降噪優(yōu)化姓名:王寧峰申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):化工過程機(jī)械指導(dǎo)教師:金濤20050601 第三章冰箱壓縮機(jī)冷凍油充量對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部聲場(chǎng)影響壓縮機(jī)的內(nèi)部聲場(chǎng)分布直接關(guān)系到壓縮機(jī)的噪聲傳播。大量的文科54【551研究了單一介質(zhì)流固耦合的振動(dòng)影響,結(jié)論認(rèn)為流體對(duì)殼體的模態(tài)影響較大。而對(duì)冰箱壓縮機(jī)的冷凍油來說一般量較少(300ral左右,冷凍油的存在對(duì)殼體與聲場(chǎng)的耦合作用是否有影響,對(duì)殼體的模態(tài)影響如何;另一方面冰箱壓縮機(jī)工作中溫度會(huì)不斷升高,同時(shí)制冷劑與冷凍油的混合以及油內(nèi)部氣泡的產(chǎn)生都會(huì)使的冷凍油的物理性質(zhì)發(fā)生變化,文獻(xiàn)561討論了非穩(wěn)態(tài)下的油液動(dòng)力噪聲,認(rèn)

2、為是氣穴(油泡噪聲和油液沖擊引起油液動(dòng)力噪聲主要原因;減小油量可以有效的降低噪聲但需考慮其他因素;下文將討論冷凍油對(duì)聲場(chǎng)分布的影響以及減小冷凍油對(duì)聲場(chǎng)的影響。流固耦合常見的數(shù)值分析方法有有限元法、有限差分法、邊界元法和無限元法等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元方法和邊界元方法已成為研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)在外力作用下的穩(wěn)態(tài)聲輻射特性和聲振耦合機(jī)理的有力工具【571。但是邊界元無法計(jì)算多種流體耦合,而有限元耦合的適應(yīng)性較強(qiáng)。目前有很多大型的計(jì)算有限元軟件,如ANSYS、NASTR AN和SYSNOISE等。ANSYS是一種通用的大型綜合有限元分析軟件,但缺點(diǎn)是利用有限區(qū)域截?cái)鄟砟M聲場(chǎng),并且聲場(chǎng)的后處理功能較

3、弱。SYSNOISE是大型聲場(chǎng)和振動(dòng)有限元分析軟件,其優(yōu)點(diǎn)是聲場(chǎng)的后處理功能很強(qiáng),但它沒有網(wǎng)格劃分的功能,而且不支持梁?jiǎn)卧唾|(zhì)量點(diǎn)單元。3.1計(jì)算模型及各種計(jì)算情況下的結(jié)果 圖3.1壓縮機(jī)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖所示,全封閉往復(fù)活塞式冰箱壓縮機(jī),由電機(jī)、氣缸、曲軸箱、曲軸連桿等組成。曲軸箱由四個(gè)彈簧懸掛在外殼內(nèi)壁上。電機(jī)電壓220V,制冷量100W×95%,轉(zhuǎn)速2950r/min,制冷劑R600a,冷凍油約320ml(L-DRB/A22。內(nèi)部充氮?dú)?壓力0.5×1051.2×105Pa;殼體采用寶鋼stl4sphe厚度為3mm。 增加邊界條件:流體外表面與殼體內(nèi)壁耦合,油

4、與氮?dú)庠谶吔缑嫔像詈稀?1950Hz聲場(chǎng)模態(tài) 2688Hz聲場(chǎng)模態(tài)1900Hz殼體模態(tài)2582Hz殼體模態(tài) 3718Hz聲場(chǎng)模態(tài)3714I-17,殼體模態(tài)圖3.2聲場(chǎng)模態(tài)幅值分布及殼體模態(tài)位移分布圖計(jì)算結(jié)果l一29階耦合模態(tài)頻率(Hz如下:9.4770E一04828.822451212.99751437.20711901.14541950.51182233.35942581.90882689,57842757.38112900.77913087.86513198.02933324.28563471.15713673.45103713.33123722.35603804.49463897.621

5、04042.45694493.50954903.80924947.95535470.63846103.57496962.24497104.91937275.9860當(dāng)聲場(chǎng)固有模態(tài)與殼體的固有頻率接近時(shí),容易產(chǎn)生共振使的殼體的隔聲作用消失3.2為三個(gè)頻率相近的聲場(chǎng)和殼體模態(tài),顏色較深的位置均為l幅值較大處。圖由上面數(shù)據(jù)(表3.1及模態(tài)形狀可以看出,當(dāng)殼體內(nèi)約束增加時(shí)會(huì)出現(xiàn)低頻的局部模態(tài)同時(shí)由于剛度增加模態(tài)向高頻移動(dòng);冷凍油的存在會(huì)使的內(nèi)部流體的聲模態(tài)頻率向高移動(dòng)。由結(jié)構(gòu)模態(tài)的貢獻(xiàn)因子可以看出,在3000HZ以下殼體對(duì)流固耦合的模態(tài)影響較大。一般耦合(共振作用的強(qiáng)弱可考慮如下因素:a振動(dòng)平面是否浸

6、入重的液體,耦合的重要性隨流體的密度的增大而增大b結(jié)構(gòu)的剛度c結(jié)構(gòu)與周圍容積有接近的共振頻率d結(jié)構(gòu)的模態(tài)與聲場(chǎng)模態(tài)的壓力分布的匹配情況4除去內(nèi)部組件進(jìn)行聲場(chǎng)的模態(tài)分析 實(shí)際由于內(nèi)部壓縮機(jī)的存在占據(jù)大部分空間會(huì)使聲場(chǎng)發(fā)生較大的變化,下面是除去壓縮機(jī)部分并作簡(jiǎn)化后的流體空間有限元分析數(shù)據(jù)。做耦合模態(tài)分析時(shí),假設(shè)內(nèi)部壓縮機(jī)表面為剛體且只考慮殼體的支撐。氮?dú)馀c殼體接觸面積為11007mm2冷凍油與殼體接觸面積為35881FOATl2圖3.3有限元模型討算結(jié)果如表3.2所列:表3.2計(jì)算結(jié)果(node 4聲42場(chǎng)7模態(tài)e頻lem率e(nHzts20630結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率(Hz多域的洳耦合(一”多域的流固耦合

7、全為氮?dú)庀虏糠譃槔鋬鲇蜁r(shí)node 604模態(tài)頻率(Hzelements 1143884.147481729.68502549.47333639.03653680.92043988.97424427.97854810.15184862.70229461O 762381843697I 2422287O 19944896臼4v、344160O4啷懈珊溺啪姍泓811111222O O 233932547278185l 55914O 595895202237245721667拍n 跖%釔記跗111122222鉈舛弭%鶘加B 勰坎3594468O5髓¨蚪%舶加昕乃儺釘亂n 他123456789

8、浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3.51715Hz聲場(chǎng)模態(tài)圖3.61729Hz殼體模態(tài)1715Hz的流體聲場(chǎng)模態(tài)最大幅值在四角(圖3.4,振動(dòng)時(shí)表現(xiàn)2個(gè)對(duì)角幅值最大處交替向四周擴(kuò)張。而1729Hz的結(jié)構(gòu)模態(tài)(圖3.5底部受約束,也呈上下擴(kuò)張的趨勢(shì)。且兩者頻率非常接近,極容易發(fā)生耦合共振。由1714Hz聲場(chǎng)耦合模態(tài)(圖3.6可看出負(fù)方向最小幅值的絕對(duì)值較大,而1731Hz聲場(chǎng)耦合模態(tài)(圖3.7可看出負(fù)方向最大幅值變換成另一對(duì)角。 圖3.71714Hz耦合聲場(chǎng)模態(tài)圖3.81714Hz耦合結(jié)構(gòu)模態(tài) 圖3.91731Hz耦合聲場(chǎng)模態(tài)圖3.101731Hz耦合結(jié)構(gòu)模態(tài)與前面全部容積聲場(chǎng)分析數(shù)據(jù)相比由于聲場(chǎng)狹窄使

9、聲場(chǎng)的模態(tài)頻率下降,出現(xiàn)局部模態(tài),如電機(jī)底部的空間處;油的出現(xiàn)使的模態(tài)頻率整體上移。兩種因素共同作用使得流固耦合模態(tài)頻率下移。其中1700Hz,2500Hz,3600Hz,4000Hz附近流固耦合共振的可能極大,32浙_l】=大學(xué)碩十學(xué)位論文在此位置容易被噪聲激勵(lì)。 N3兒25261-Iz聲場(chǎng)模態(tài)圖3122549Hz殼體模態(tài) 圖3.132526Hz的相位分前J 圖3.142524Hz耦合聲場(chǎng)模態(tài)圖3.152524Hz耦合殼體模33圖3.162551HZ耦合聲場(chǎng)模態(tài)圖3,17255lHz耦合殼體模態(tài)2549Hz殼模態(tài),中心位置中心振幅負(fù)方向最大;而在2526Hz流體聲模態(tài),振幅由四邊相中心擴(kuò)展。

10、耦合作用較強(qiáng)。3.2減少冷凍油體積減少冷凍油體積約60ml,計(jì)算其聲場(chǎng)模態(tài),同時(shí)加密網(wǎng)格(Nodes9675,Elements46883,計(jì)算結(jié)果如表3.4。計(jì)算結(jié)果表明減小油的體積,聲場(chǎng)模態(tài)頻率會(huì)略微下移。明顯避開殼體的前5固有頻率,同時(shí)殼體模態(tài)對(duì)流固耦合貢獻(xiàn)因子也在下降。表3.4不同容積冷凍油的聲場(chǎng)模態(tài) 圖3.18有限元網(wǎng)格1000hz一4000Hz間的耦合模態(tài)頻率(Hz:1002.34331074.59441579.32781659.91931807.82062069.98832311.4165 2470.63752485.74532699.52452777.14192828.93930

11、03.20763241.6929 3287.70553384.1633503.9793531.58143577.1833603.48873723.5689 3844.16063897.1693908.96314074.61083.3實(shí)驗(yàn)測(cè)試測(cè)試環(huán)境是以地板平面為反射面的基本自由聲場(chǎng),它包括半消聲室,半消聲室一種除地面以外,其余壁面全襯有強(qiáng)吸聲材料的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室,如圖3.18。測(cè)試儀器為:精密聲噪聲級(jí)計(jì)和1/3倍頻程濾波器,傳聲器(圖3.19和前置放大器以及電冰箱壓縮機(jī)模擬負(fù)荷臺(tái)(圖3.20。 圖3.19半消音室1噪聲信號(hào)分析處理:噪聲信號(hào)一般都是隨機(jī)性。隨機(jī)過程各樣本記錄都不一樣,因此不能用明確

12、數(shù)學(xué)關(guān)系式來表達(dá)、但這些樣本都有共同的統(tǒng)計(jì)特性,隨機(jī)信號(hào)可用概率統(tǒng)計(jì)特性來描述。常用的統(tǒng)計(jì)函數(shù)有均方值驢2,均值慨和方差口乙;概率密度函數(shù)P俐;自相關(guān)函數(shù)默r;功率譜密度函數(shù)入&隨機(jī)信號(hào)的聯(lián)合統(tǒng)計(jì)特性,如互相關(guān)函數(shù)碼(r、互譜密度函數(shù)S;y等。35浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3.20傳聲器及測(cè)試點(diǎn) 圖3.2l電冰箱壓縮機(jī)模擬負(fù)荷臺(tái)相關(guān)性:相關(guān)是兩個(gè)波形或信號(hào)(即樣本函數(shù)的圖形記錄之間相似程度的一種度量。 3與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比:由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出除去冷凍油60ml時(shí),在我們實(shí)際關(guān)心的頻率段1000-4000Hz內(nèi)。在1700Hz、2500Hz、3600Hz、4000Hz附近油量減小后的聲功率級(jí)均

13、有所下降,且降幅明顯。說明模態(tài)發(fā)生偏移后,耦合作用較強(qiáng)的頻率變得流固耦合的作用較弱;近而影響到噪聲的傳遞。與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合,充分表明有限元數(shù)值計(jì)算方法的有效性以及對(duì)設(shè)計(jì)的價(jià)值。3.4加入壓縮機(jī)氣缸表面的振動(dòng)聲場(chǎng)聲壓的分布與盧源有關(guān),通過有限元方法,可得在振動(dòng)激勵(lì)下的耦合聲場(chǎng)及殼體的表面的振動(dòng)情況;對(duì)于冰箱壓縮機(jī)來說由于氣缸蓋傳遞了氣體壓縮的脈動(dòng)以及不平衡力所產(chǎn)生的振動(dòng),表面振動(dòng)量較大,岡此可取氣缸蓋表面的振動(dòng)最為聲源,計(jì)算聲場(chǎng)壓力分布。F面是在31節(jié)模型中,增加邊界條件,氣缸表面正向施加一法向速度V=lm/s后得到的結(jié)果。 圖3242525Hz時(shí)殼體與聲場(chǎng)耦合的流體域的壓力幅值以及殼體位移

14、圖3.251700HZ時(shí)殼體與聲場(chǎng)耦合的流體域的壓力幅值以及殼體位移聲場(chǎng)域被激勵(lì)幅值可由圖3.23看出,2525Hz耦合流體的聲壓分布在電機(jī)底部出現(xiàn)一極值點(diǎn)。而在1700Hz耦合流體的聲壓在壓縮機(jī)缸蓋頂部有極值點(diǎn)。 2階模態(tài)是殼體整體在XZ平面擺動(dòng),與殼底的約束有關(guān)由于支撐底部固定,所以前兩階模態(tài)殼體底部模態(tài)應(yīng)力最大 l糾4.1l階模態(tài)示意圖圖422階模態(tài)示意圖 圖4.33階模態(tài)示意圖圖4.44階模態(tài)示意圖 圖4.55階模態(tài)示意圖第5階模態(tài)為頂部振動(dòng)的模態(tài)圖4.66階模態(tài)示意圖第6階模態(tài)呈現(xiàn)非對(duì)稱狀態(tài)圖4.77階模態(tài)示意圖網(wǎng)488階模態(tài)示意圖圖4.99階模態(tài)示意圖圖4lO 10階模態(tài)示意圖由圖

15、片可看出,第6階和第9階呈非對(duì)稱模態(tài),第10階除頂部外環(huán)向有小幅振動(dòng)。隨著振動(dòng)頻率的升高振動(dòng)模態(tài)的幅值的極值點(diǎn)會(huì)增多。3階模態(tài)在殼體曲率變化最小處yz平面振動(dòng),它與殼體本身形狀有關(guān)。模態(tài)應(yīng)力可以表現(xiàn)能量分布情況。應(yīng)力大的位置變形能較大,增大質(zhì)量可以增大剛度,從而減小此頻率下的振動(dòng)。2簡(jiǎn)化庭部后不加約束的殼體模杏大于零的模態(tài): 模態(tài)頻率(Hz如下:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文2534.8 3956.72639.54225.23497.84321.83520.44593.43768.14701.6 圖4.11簡(jiǎn)化后殼體14階模態(tài) 圖4.12簡(jiǎn)化后殼體58階模態(tài)浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文由圖4.11,4.12可以看出,殼體未加約束時(shí),殼體模態(tài)的固有頻率下移,但在4000Hz 以下振型基本不變。這說明相似的幾階模態(tài)只與殼體本身的形狀有關(guān),而與約束無關(guān);簡(jiǎn)化后的結(jié)果對(duì)殼體振型影響不大影響。 圖4.13簡(jiǎn)化后殼體9一lO階模態(tài)一二階模態(tài)只有2個(gè)振幅極值點(diǎn),隨著頻率的增大殼體上的振幅極值點(diǎn)會(huì)逐漸增多。7階以上模態(tài)受中間加厚部分影響,呈現(xiàn)非對(duì)稱性。大于2000Hz時(shí)模態(tài)只與殼體本身物理性質(zhì)有關(guān),4000Hz以上受殼體非均勻壁厚影響較大。4.2不同幾何參數(shù)對(duì)殼體模態(tài)的影響4.2.1環(huán)向參數(shù)變化對(duì)殼模態(tài)的影響為了簡(jiǎn)化計(jì)算,同時(shí)忽略其他因素;將殼體簡(jiǎn)化為直柱筒形狀,上下面固定約束,長(zhǎng)度為殼

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