冰箱壓縮機聲場數(shù)值分析及降噪優(yōu)化_圖文

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

2、為是氣穴(油泡噪聲和油液沖擊引起油液動力噪聲主要原因;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聲場分布的影響以及減小冷凍油對聲場的影響。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。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,有限元方法和邊界元方法已成為研究復雜結(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理的有力工具【571。但是邊界元無法計算多種流體耦合,而有限元耦合的適應(yīng)性較強。目前有很多大型的計算有限元軟件,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,但缺點是利用有限區(qū)域截斷來模擬聲場,并且聲場的后處理功能較

3、弱。SYSNOISE是大型聲場和振動有限元分析軟件,其優(yōu)點是聲場的后處理功能很強,但它沒有網(wǎng)格劃分的功能,而且不支持梁單元和質(zhì)量點單元。3.1計算模型及各種計算情況下的結(jié)果 圖3.1壓縮機及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖所示,全封閉往復活塞式冰箱壓縮機,由電機、氣缸、曲軸箱、曲軸連桿等組成。曲軸箱由四個彈簧懸掛在外殼內(nèi)壁上。電機電壓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)部充氮氣,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、與氮氣在邊界面上耦合。 1950Hz聲場模態(tài) 2688Hz聲場模態(tài)1900Hz殼體模態(tài)2582Hz殼體模態(tài) 3718Hz聲場模態(tài)3714I-17,殼體模態(tài)圖3.2聲場模態(tài)幅值分布及殼體模態(tài)位移分布圖計算結(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當聲場固有模態(tài)與殼體的固有頻率接近時,容易產(chǎn)生共振使的殼體的隔聲作用消失3.2為三個頻率相近的聲場和殼體模態(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,當殼體內(nèi)約束增加時會出現(xiàn)低頻的局部模態(tài)同時由于剛度增加模態(tài)向高頻移動;冷凍油的存在會使的內(nèi)部流體的聲模態(tài)頻率向高移動。由結(jié)構(gòu)模態(tài)的貢獻因子可以看出,在3000HZ以下殼體對流固耦合的模態(tài)影響較大。一般耦合(共振作用的強弱可考慮如下因素:a振動平面是否浸

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)與聲場模態(tài)的壓力分布的匹配情況4除去內(nèi)部組件進行聲場的模態(tài)分析 實際由于內(nèi)部壓縮機的存在占據(jù)大部分空間會使聲場發(fā)生較大的變化,下面是除去壓縮機部分并作簡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,假設(shè)內(nèi)部壓縮機表面為剛體且只考慮殼體的支撐。氮氣與殼體接觸面積為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計算結(jié)果(node 4聲42場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、全為氮氣下部分為冷凍油時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、浙江大學碩士學位論文 圖3.51715Hz聲場模態(tài)圖3.61729Hz殼體模態(tài)1715Hz的流體聲場模態(tài)最大幅值在四角(圖3.4,振動時表現(xiàn)2個對角幅值最大處交替向四周擴張。而1729Hz的結(jié)構(gòu)模態(tài)(圖3.5底部受約束,也呈上下擴張的趨勢。且兩者頻率非常接近,極容易發(fā)生耦合共振。由1714Hz聲場耦合模態(tài)(圖3.6可看出負方向最小幅值的絕對值較大,而1731Hz聲場耦合模態(tài)(圖3.7可看出負方向最大幅值變換成另一對角。 圖3.71714Hz耦合聲場模態(tài)圖3.81714Hz耦合結(jié)構(gòu)模態(tài) 圖3.91731Hz耦合聲場模態(tài)圖3.101731Hz耦合結(jié)構(gòu)模態(tài)與前面全部容積聲場分析數(shù)據(jù)相比由于聲場狹窄使

9、聲場的模態(tài)頻率下降,出現(xiàn)局部模態(tài),如電機底部的空間處;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】=大學碩十學位論文在此位置容易被噪聲激勵。 N3兒25261-Iz聲場模態(tài)圖3122549Hz殼體模態(tài) 圖3.132526Hz的相位分前J 圖3.142524Hz耦合聲場模態(tài)圖3.152524Hz耦合殼體模33圖3.162551HZ耦合聲場模態(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方向最大;而在2526Hz流體聲模態(tài),振幅由四邊相中心擴展。

10、耦合作用較強。3.2減少冷凍油體積減少冷凍油體積約60ml,計算其聲場模態(tài),同時加密網(wǎng)格(Nodes9675,Elements46883,計算結(jié)果如表3.4。計算結(jié)果表明減小油的體積,聲場模態(tài)頻率會略微下移。明顯避開殼體的前5固有頻率,同時殼體模態(tài)對流固耦合貢獻因子也在下降。表3.4不同容積冷凍油的聲場模態(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實驗測試測試環(huán)境是以地板平面為反射面的基本自由聲場,它包括半消聲室,半消聲室一種除地面以外,其余壁面全襯有強吸聲材料的聲學實驗室,如圖3.18。測試儀器為:精密聲噪聲級計和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模擬負荷臺(圖3.20。 圖3.19半消音室1噪聲信號分析處理:噪聲信號一般都是隨機性。隨機過程各樣本記錄都不一樣,因此不能用明確

12、數(shù)學關(guān)系式來表達、但這些樣本都有共同的統(tǒng)計特性,隨機信號可用概率統(tǒng)計特性來描述。常用的統(tǒng)計函數(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&隨機信號的聯(lián)合統(tǒng)計特性,如互相關(guān)函數(shù)碼(r、互譜密度函數(shù)S;y等。35浙江大學碩士學位論文 圖3.20傳聲器及測試點 圖3.2l電冰箱壓縮機模擬負荷臺相關(guān)性:相關(guān)是兩個波形或信號(即樣本函數(shù)的圖形記錄之間相似程度的一種度量。 3與實驗結(jié)果對比:由實驗數(shù)據(jù)可以看出除去冷凍油60ml時,在我們實際關(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)值計算結(jié)果吻合,充分表明有限元數(shù)值計算方法的有效性以及對設(shè)計的價值。3.4加入壓縮機氣缸表面的振動聲場聲壓的分布與盧源有關(guān),通過有限元方法,可得在振動激勵下的耦合聲場及殼體的表面的振動情況;對于冰箱壓縮機來說由于氣缸蓋傳遞了氣體壓縮的脈動以及不平衡力所產(chǎn)生的振動,表面振動量較大,岡此可取氣缸蓋表面的振動最為聲源,計算聲場壓力分布。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時殼體與聲場耦合的流體域的壓力幅值以及殼體位移

14、圖3.251700HZ時殼體與聲場耦合的流體域的壓力幅值以及殼體位移聲場域被激勵幅值可由圖3.23看出,2525Hz耦合流體的聲壓分布在電機底部出現(xiàn)一極值點。而在1700Hz耦合流體的聲壓在壓縮機缸蓋頂部有極值點。 2階模態(tài)是殼體整體在XZ平面擺動,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階呈非對稱模態(tài),第10階除頂部外環(huán)向有小幅振動。隨著振動頻率的升高振動模態(tài)的幅值的極值點會增多。3階模態(tài)在殼體曲率變化最小處yz平面振動,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。2簡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:浙江大學碩士學位論文2534.8 3956.72639.54225.23497.84321.83520.44593.43768.14701.6 圖4.11簡化后殼體14階模態(tài) 圖4.12簡化后殼體58階模態(tài)浙江大學碩士學位論文由圖4.11,4.12可以看出,殼體未加約束時,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);簡化后的結(jié)果對殼體振型影響不大影響。 圖4.13簡化后殼體9一lO階模態(tài)一二階模態(tài)只有2個振幅極值點,隨著頻率的增大殼體上的振幅極值點會逐漸增多。7階以上模態(tài)受中間加厚部分影響,呈現(xiàn)非對稱性。大于2000Hz時模態(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)對殼體模態(tài)的影響4.2.1環(huán)向參數(shù)變化對殼模態(tài)的影響為了簡化計算,同時忽略其他因素;將殼體簡化為直柱筒形狀,上下面固定約束,長度為殼