1.1 研究背景

随着社会的进步和科学技术的发展，人们对柴油机的动力性、经济性和排放的要求越来越高。提高进气效率和压缩比、精细控制喷油时刻和喷油量是达到此要求的重要措施，随之而来的是更加复杂的机械结构和部分运动件更加恶劣的工作环境，这就造成柴油机故障发生机率大大增加。臧权同等^［1］通过对柴油机气缸盖结构的简析，总结了三种主要的故障形式：气缸盖裂纹、气缸盖漏水、气门座异常下陷与磨损。气缸盖作为柴油机中形状最为复杂的零部件，其表面振动包含着极为丰富的有用信息。对柴油机进行振动状态监测可提高其运行可靠性和设备利用率。研究柴油机的故障特征及其与表面振动响应的关系是振动状态监测和故障诊断的关键。

作为环境污染四大公害之一的噪声污染也日益受到人们的重视。噪声对人的健康危害很大主要表现为：形成听力减退，甚至导致噪声性耳聋；刺激影响人的神经系统，形成一系列生理性异常，干扰人们学习、工作、休息和睡眠，使人们工作效率下降，注意力不集中，反应迟钝；强烈的噪声可使人们的听觉器官疼痛，甚至出现鼓膜破裂、耳内出血等直接外伤。所以噪声控制也是保护人们生活条件和工作条件的一项重要工作^［2］。随着柴油机的高速、轻型大功率化，其振动噪声的问题日益突出。故对柴油机缸盖进行模态分析，找到其振动的原因，从而提出结构改进方案是十分必要的。

1.2 国外研究现状

柴油机的噪声控制的实践表明，改善现有的柴油机的振动声学特征的可能性是有限的。国内外对柴油机振动的研究基本上都是基于有限元方法进行的。有限元方法^［3］是以计算机技术为基础不断发展起来的方法，可以精确的预测出产品的技术性能、动力强度、流场、磁场等，可以解决工程上复杂的分析计算。

国外方面，印度的Suresh Kumar等^［4］采用有限元方法对四缸柴油机曲轴进行静力和动力分析，分析包括确定自由振动振型以调整各种模态参数，对曲柄每次的行程进行弯曲和扭转刚度分析，在此基础上分析曲轴的各种设计参数，确定了与之相邻的曲轴系部件的尺寸和布局。同样是印度的Pandurang Maruti等^［5］首先使用了Pro/E软件进行三维建模，然后进行离散化，又利用了Hyper Mesh软件开发了具有荷载和边界条件的模型，对柴油机进行设计修改。意大利的Daniela等^［6］使用CAD软件建立了四缸发动机多体数值模型，在台架试验中模拟发动机的动态响应，提取数据后作为激励力，测量缸内压力值。土耳其的Cengizhan等^［7］采用CFD和FEM方法，评估重型气缸盖的高循环和热机械疲劳失效，并给出了获得热寿命和疲劳寿命的详细结果。韩国的Shin Taejin等^［8］根据发动机机体与油底壳的装配情况，分析了发动机表面的辐射噪声的影响，利用发动机的多体动力学模型进行模态分析，通过声学有限元分析计算结构的噪声，为进一步研究柴油机真实结构振动噪声的研究打下基础。波兰的Andrzej等^［9］首着重于振动参数的测量与分析，对高速和中速船用柴油机缸盖进行振动加速度测量，模拟了疲劳对发动机的影响，提出振动的原因与解决方法。中国的王杨等^［10］采用滤波方法对振动信号进行过滤，建立了某柴油机缸盖和机体的激励响应信号仿真模型，对激励源进行了分析，为以后的研究打下基础。日本的Yoshihiko等^［11］对多层钢制气缸盖垫片密封压力分布进行有限元分析，计算垫片对位移的约束力，为缸盖的振动与降噪提供了一种新的思路。埃及的Mohamed^［12］利用振动信号对柴油机机械状态监测和诊断，为提高机器可用性和降低维护成本的目的打下基础。

1.3 国内研究现状

国内方面，谢志强^［13］通过调查研究发现，采用整机加罩的方法降低噪声将使材料和机组的重量增加10%-20%，使成本上升8%-10%。他采用了有限元理论的分析技术等现代手段，对其进行温度场、应力场耦合分析、模态、瞬态响应分析，虽然并未得到合适可行的解决方法，但是为下一步进行整机的振动与噪声模拟做了很好的铺垫。董岩等^［14］使用有限元方法探讨了内燃机薄壁部件的自振特性，提出通过改变壁厚以及在薄壁部件等振动较大的部位增加网格状筋等方法，改变刚度和固有频率，与计算结果进行比对，证明这种方法较为有效，且经济性好。梁燕成^［15］在完成柴油机薄弱部位的有限元分析后，利用ANSYS软件对机体进行参数化建模，施加于实验相同的边界条件，获得了组合模态的频率和振型，最后选用在机体底部增加梯形框的方法改进机体。黄绪鹏等^［16］利用HyperWorks软件对柴油机缸盖进行有限元建模和模态分析，得到了缸盖在约束模态下的前六阶振型和固有频率，为发动机减振和降噪提供了理论依据。刘金祥等^［17］利用CAD技术建立了某柴油机缸盖的实体模型和有限元模型，并对有限元模型进行了离散误差的收敛性分析，在此基础上进行了缸盖的温度场、紧急工况和机械应力、爆发-热耦合应力的计算分析，确定了各影响因素在缸盖上造成应力集中的主要位置，为结构改造提供参考。张小俊^［18］针对某款特定的汽油发动机，通过AVL系列软件建立了曲柄连杆机构动力学模型、配气机动力模型和气缸侧敲动力学模型，分析了机体主要振动噪声源的频谱特性与传播途径，确定了振动噪声源的有效频段。沈聪等^［19］采用了仿真分析与结构振动声辐射理论相结合的方法，对缸盖罩的振动响应和辐射噪声进行预测，通过识别振动薄弱环节，确定优化方向，提出结构改进方案。陈玉炜等^［20］对某柴油机缸盖进行了优化设计，主要是将柴油机的自然吸气改为增压，从而对缸盖的材料、高度、螺栓布置等进行再设计，以达到降低缸盖振动噪声的问题。

由以上国内外研究现状分析可知，现在对于柴油机缸盖的振动产生原因与解决振动的改进的研究都是基于有限元方法进行的，故本实验也采用有限元方法，利用SolidWorks软件对柴油机缸盖建立物理模型，并以ANSYS软件进行模态分析，以期找到缸盖振动的原因与解决振动的方法。

2.1 研究基本内容