单缸柴油机是我国农业产业最主要的动力装置。目前,单缸柴油机产业的发展面临着材料价格上涨、市场竞争激烈、国家法规日益严格等多重困难的挑战。为此,内燃机行业提出了发展低噪声、轻量化、低排放、低油耗的新一代单缸柴油机的口号。本文将先进的数字化设计和虚拟仿真技术应用于低噪声轻量化单缸柴油机的设计开发中,对发动机的动力学特性、振动噪声特性、零部件强度与热负荷特性、结构优化设计方法进行了全面深入的研究。这些研究对未来单缸柴油机产品的设计与开发有着重要的理论意义和工程应用价值。论文从内燃机的热力学和动力学分析入手,利用虚拟仿真技术求得了发动机在工作过程中的内外载特性,为整机结构的有限元计算提供了准确的载荷与边界条件。不同于传统的经验设计方法,本文基于动力学仿真技术还提出了一种分析连杆在一个工作循环内动态等效往复质量和旋转质量变化规律的方法,并根据新的分析方法设计了能够完全平衡曲柄连杆机构离心力和一级往复惯性力的平衡装置。按照低噪声设计的要求,本文主要的研究内容包括发动机噪声源识别的实验研究及噪声特性分析、机体结构辐射噪声预测及低噪声设计、发动机平衡装置的设计等。文中采用多种实验方法系统地进行了发动机噪声源识别的研究,为整机的降噪工作指明了方向。针对发动机结构改进设计和辐射噪声仿真预测的问题,本文提出了一种既高效又满足工程精度要求的多体动力学—有限元法—边界元法相结合的数字化仿真分析方法,并给出了采用该仿真方法进行发动机机体低噪声设计的流程。在轻量化设计来看,重点研究了机体组件的非线性有限元分析、结构优化技术在轻量化设计中的应用等问题。首先建立了准确的非线性有限元模型,通过多种工况计算结果对比,分析了机械负荷和热负荷对机体组件应力水平的合成作用,同时也考虑了对缸盖螺栓张力和缸盖垫片压力的影响。掌握了机体应力场的分布状况,为机体改进设计提供了可靠的依据。为进一步提高设计水平,文中将结构拓扑优化和形状优化技术应用到单缸柴油机机体的轻量化设计中,分析了优化参数的选取,建立了单缸柴油机机体优化设计的流程,为优化技术在发动机复杂零部件设计中的应用进行了有益的探索。本文的研究是国内单缸柴油机整机降噪理论与应用的一次尝试。研究中在探索单缸柴油机低噪声设计技术的同时,又兼顾解决了结构轻量化与低噪声设计之间的矛盾,最终成功地完成了国内第一台低噪声轻量化单缸柴油机的设计与开发。新型低噪声轻量化单缸柴油机经过最后的制造和实验验证,机体质量减轻5kg,整机噪声也由114.21dBA降低到110.8dBA,降低了3.4dBA,满足了国家相关的法规要求。