A damping optimization method based on the oma for low-frequency noise reduction.pdf Введение Работающий двигатель возбуждает колебания опорной платформы, вызывающие вибрацию связанных с ней панелей моторного отсека, которые и генерируют излучаемый шум. Низкочастотный шум вызван, в основном, суммой шумов, излучаемых панелями, являющимися одним из важнейших источников низкочастотного шума агрегата [1]. Поэтому применение демпфирования является эффективным способом подавления низкочастотного (в пределах 300 Гц) шума [2]. С этой целью в данной работе предлагается метод оптимизации низкочастотного шумоподавления и демпфирования на основе ОМА (Operational Mode Analysis), кратко излагаются полученные результаты. Предпосылки и теоретическая база Пусть n - это число конечных элементов моторного отсека. Для точки поля i акустический отклик, соответствующий элементу j под действием возбуждающей силы , определяется выражением , (1) где , , - локальная жесткость, коэффициент демпфирования и массовый коэффициент соответственно; - соответственно и -столбцы матрицы формы основной моды. Суммарный акустический отклик в этой точке поля равен . (2) Выделяя вклад элемента j в точке поля i, который совпадает с проекцией звукового давления элемента на вектор суммарного давления, находим его в виде . (3) Обозначим величиной сумму звуковых откликов всех элементов панели g, определяемой ее геометрическими границами. Принимая во внимание возбуждение этой панели, находим вклад панели g в звуковое поле по формуле . (4) Выражение (4) показывает, что с точки зрения векторного суммирования всегда существует определенная разность фаз между общим звуковым давлением и давлением, создаваемым отдельной генерирующей панелью. Очевидно, что величина вклада сильно зависит от разности фаз. Акустический вклад панели положителен, когда разность фаз находится внутри интервала ; если значение разности выше , тогда вклад соответствующей панели отрицателен. Вклад будет равен нулю, когда разность фаз равна . В области инженерных приложений панели с уровнем вклада, соответствующим разности фаз, близкой к , обычно определяют как нейтральные области, так же как и панели с отрицательным вкладом. Для них обработка демпфирующими материалами считается необязательной. Напротив, панели с положительным вкладом обычно выбираются в качестве областей для применения демпфирования. Демпфирующие материалы делятся на два типа: со свободным демпфированием и с жестким демпфированием, причем последний тип получил более широкое применение. Жесткий демпфирующий слой выполняют из тонкого металла с высокой пластичностью, такого как алюминий или медь, что обеспечивает более высокую диссипацию энергии. Коэффициент потерь является одним из важнейших показателей, определяющих характеристики диссипации энергии вязкоупругих материалов [3]. Принимая во внимание высокие тепловые и механические нагрузки при работе моторного отсека, в данной работе в качестве обрабатывающего материала используется бутилкаучуковый жесткий демпфер, обладающий высокой термостойкостью и хорошей адгезией. По данным испытаний коэффициент потерь составляет 0.16 при комнатной температуре. Звуковое излучение демпфирующего слоя при расчетах не учитывается, так как слой имеет толщину менее 0.2 мм. Испытания динамических характеристик системы могут подразделяться на различные категории в зависимости от граничных условий, особенностей возбуждения и методов обработки сигналов. Динамические тесты разрабатываются на основе предположения о линейности системы, а метод обработки сигналов основывается на их физическом происхождении. С этой точки зрения испытания динамических характеристик можно разделить на исследование отдельных мод и исследование реальной формы отклонений при работе (Operational Deflection Shape - ODS). В отличие от результатов модального теста, получаемых с помощью функций частотной характеристики, результаты теста ODS получают с помощью автокорреляционной обработки [4-6]. Учитывая, что возбуждение всегда происходит во временной области, результаты в частотной области определяются с помощью соответствующей обработки сигнала. Устанавливая точку отсчета и получая соответствующие функции частотного отклика (Frequency Response Functions - FRF) системы, ее подавляющие свойства на одних частотах и усиление на других представляют базовым уровнем и пиками FRF. Эти динамические характеристики проясняют внутреннюю структуру системы, идентифицируя частоты пиков. В соответствии с различными граничными условиями модальные тесты проводят для свободных мод и жестко связанных мод; характер этих условий определяет модификацию динамики структуры. Поскольку полная свобода или жесткие ограничения на практике не существуют, постольку требуется точный расчет мод всей системы, чтобы гарантировать точность и достоверность результатов. Тестирование свободных мод предполагает гибкую опору, которая обеспечивает частоту моды первого порядка всей системы менее 20% от частоты упругой моды первого порядка объекта исследования. Для тестирования жестко связанных мод граничная частота анализа должна быть равна частоте моды первого порядка всей системы. В соответствии с различием возбуждений в системе тестирование связанных мод можно разделить на тесты рабочих мод и тесты с полной/неполной связью. Учитывая стабильное рабочее состояние экскаватора и наглядную физическую сущность постобработки в частотной области, в качестве метода постобработки в тесте ОМА выбрана частотная идентификация. Поскольку рабочее возбуждение трудно получить во время испытаний, выбирают жестко привязанную опорную точку вблизи источника возбуждения. Сигналы ускорения в точках измерения и в опорной точке получаются одновременно, что делает возможной идентификацию мод по функциям частотной характеристики FRFs. Для системы с N степенями свободы FRF можно описать выражением , (5) где - матрица вычетов порядка i; - ее соответствующий полюс. Если возбуждение системы стабильно, то функция FRF совпадает с формулой . (6) Здесь - константа; - вектор формы моды. Подставив в , получаем выра- жение . (7) Параметры модели можно было бы определить с помощью . В формуле (7) - полюс порядка ; - соответствующая матрица вычетов. Полоса частот анализа рабочих мод расширяется до двукратного значения ширины искомой функции частотной характеристики. Для исключения неустойчивых полюсов используется модуль Polymax комплекта программ «LMS Test. Lab modal analysis». Создание и проверка модели В качестве объекта исследования взят моторный отсек экскаватора (рис. 1, а), так как он оказывает непосредственное влияние на излучаемый шум. Область исследования включает вращающуюся платформу и ее верхние конструкции, где кабина, двигатель, насос и исполнительные механизмы соединены с платформой. Конечно-элементная модель составляется после упрощения геометрии, мелкие объекты игнорируются, а ребра сглаживаются. Конечно-элементная модель, показанная на рис. 1, б, состоит из 500 698 элементов и 524 383 узлов. Рис. 1. Геометрия модели (а) и конечно-элементная модель (б) отсека экскаватора С целью вычисления структурного отклика частоту отсечки для анализа режимов устанавливают в 2 раза выше целевой полосы частот. Все шесть степеней свободы центра вращающейся платформы экскаватора ограничены, и вычислению подлежат жестко связанные моды в диапазоне до 600 Гц. Судя по полученным результатам, спектр структурных мод имеет высокую плотность, особенно большим количеством локальных мод обладает верхняя крышка. Чтобы обеспечить точность отклика конструкции с учетом большой плотности мод крышки отсека, на нее помещают датчик ускорения, регистрируют его тестовый сигнал в заданной точке и сравнивают с результатами моделирования, как показано на рис. 2. Из рисунка видно, что, за исключением разницы амплитуд отклика на некоторых частотах, частоты пиков и их амплитуды отклика хорошо совпадают, так что конечно-элементная модель может быть использована для дальнейшего моделирования. Рис. 2. Сравнение расчетных и измеренных ускорений в точке № 24 на крышке отсека Анализ акустического вклада панели путем взвешивания для многомодовой системы Для анализа акустического вклада панели - Panel Acoustical Contribution Analysis (PACA) применяется метод граничных элементов - Boundary Element Method (BEM). На основе конечных элементов конструкции моторного отсека путем укрупнения сетки поверхности конструкции строится модель граничных элементов. Область исследования включает в себя двери моторного отсека, верхнюю платформу, крышки панелей и т.д.; всего BEM-модель имеет 9 389 элементов и 10 402 узла. Отклик поля смещений структуры в частотной области импортируется в программу LMS Virtual.Lab и заносится в модель граничных элементов в виде возбуждения. Выбирая точки поля в соответствии с координатами, предусмотренными национальным стандартом, находят отклик на звуковое давление точки поля (рис. 3). Пики отклика звукового давления для выбранных точек поля присутствуют при частотах 30.75, 92.5, 139, 223 и 270 Гц, что соответствует результатам испытаний. Из-за наложения воздушного шума пиковая спектральная плотность в модели оказывается большей, чем в тесте. Рис. 3. Кривая звукового давления прогноза излучаемого шума в точках поля Эффекты оптимизации демпфирования При наличии демпфирующего слоя проводится аналогичный анализ структурного и акустического отклика с целью достичь оптимального демпфирования частичным нанесением демпфирующего покрытия в наиболее «слабых» местах с максимальной амплитудой вибраций. На рис. 4 показана реакция виброускорения измерительной точки № 24 крышки отсека до и после демпфирования. Результаты моделирования показывают, что пики спектра ускорений в частотной области имеют заметную тенденцию к уменьшению. В таблице приведены статистически усредненные величины снижения звукового давления в децибелах для национальных стандартных точек в результате применения демпфирования. Рис. 4. Сравнение ускорения до (темная кривая) и после (светлая) применения демпфирования в точке измерения № 24 на крышке отсека На рис. 5 и 6 показаны спектры звукового давления соответствующих точек. Уровень звукового давления снижается после применения демпфирования на большинстве пиковых частот. Частотные кривые и статистические результаты показывают, что отклики звукового давления во всех точках поля оказываются в разной степени сниженными, за исключением точки 3 (таблица). Снижение акустического отклика точек поля после демпфирования (дБ(А)) Точки поля 1 2 3 4 5 6 Среднеквадратичное снижение 3.157 2.565 -0.662 4.229 0.409 0.365 Рис. 5. Прогнозирование звукового отклика точек 1 (а), 2 (б) и 3 (в) до (штриховая кривая) и после (сплошная кривая) демпфирования Рис. 6. Прогнозирование звукового отклика точек 4 (а), 5 (б) и 6 (в) до (штриховая кривая) и после (сплошная кривая) демпфирования Заключение На основе теста, разработанного по методике PACA и OMA, эффективно определяются области нанесения демпфирующего покрытия, которое значительно снижает излучаемый шум, вызванный вибрациями агрегата. Затраты времени на оптимизацию значительно сокращаются, причем этот метод эффективен во всей полосе значимых частот. Подробно обсуждается разница между тестами в рабочем режиме и другими динамическими тестами. Показана высокая инженерно-прикладная ценность ОМА-тестирования, которое позволяет снизить сложность динамических испытаний крупного оборудования.

Скачать электронную версию публикации