發(fā)動機(jī)機(jī)體輻射噪聲優(yōu)化方法研究

楊 靖，王營超，任翠翠，唐 堅,馮仁華

(1.湖南大學(xué) 機(jī)械與運載工程學(xué)院 先進(jìn)動力總成技術(shù)研究中心，長沙 410082；2.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054)

在當(dāng)今城市環(huán)境噪聲源中，交通噪聲是主要聲源之一[1]，而發(fā)動機(jī)的噪聲是汽車振動噪聲的一個重要組成成分，所以對發(fā)動機(jī)的輻射噪聲進(jìn)行優(yōu)化研究具有很重要的意義[2]。對輻射噪聲進(jìn)行優(yōu)化研究，最簡便的方法是通過優(yōu)化設(shè)計重新改進(jìn)其主要聲輻射零件的結(jié)構(gòu)來減小整機(jī)的輻射噪聲，從而保證整車輻射噪聲滿足法規(guī)要求[3]。

現(xiàn)今，很多國內(nèi)外的學(xué)者在發(fā)動機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵部件輻射噪聲的分析和優(yōu)化等方面開展了大量的研究工作，并獲得了一定的研究成果[4-6]。文獻(xiàn)[4]采用有限元分析和多體動力響應(yīng)分析的聯(lián)合方法求解某柴油機(jī)表面振動響應(yīng)，依此進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)；文獻(xiàn)[5]采用邊界元法計算油底殼輻射噪聲總聲功率級，依此進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；文獻(xiàn)[6]采用有限元法和邊界元法通過對整機(jī)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化來實現(xiàn)輻射噪聲的降低。但是以上方法效率較低，需要較強的經(jīng)驗才能達(dá)到較好的效果。除此之外，對輻射噪聲優(yōu)化的方法還有很多，目前主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法、遺傳算法[7]等，其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行分布解決能力強，分類準(zhǔn)確度高，對噪聲魯棒性強，但是它計算所需參數(shù)多，且輸出結(jié)果難以解釋，對可信度有一定的影響[8]；遺傳算法雖然可以同時對多個個體比較，且穩(wěn)定性好，但其編程復(fù)雜，且很多參數(shù)的選擇需要依靠經(jīng)驗，對網(wǎng)絡(luò)反饋的信息利用不及時，故算法的搜索緩慢，需要很長的訓(xùn)練時間才能得到準(zhǔn)確的解[9]。

針對發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析和優(yōu)化手段中存在的問題，本文提出了在采用多體動力學(xué)結(jié)合有限元法（FEM）和邊界元法（BEM）等方法的基礎(chǔ)上，利用質(zhì)量管理和設(shè)計軟件Minitab中的DOE多目標(biāo)分析手段對輻射噪聲進(jìn)行研究和優(yōu)化的方法。該方法以最少改進(jìn)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)為前提，優(yōu)化了發(fā)動機(jī)的聲功率等其他重要參數(shù)，計算量少，能夠更大幅度提高優(yōu)化效率。本文選取某發(fā)動機(jī)機(jī)體為研究對象，詳細(xì)介紹了用該方法對機(jī)體各影響因素進(jìn)行優(yōu)化的過程，降低其輻射噪聲，取得了比較好的效果。

1 輻射噪聲分析和優(yōu)化流程

由于發(fā)動機(jī)中影響輻射噪聲的各部分結(jié)構(gòu)因素很多，如各部分的尺寸參數(shù)、強度、剛度、質(zhì)量、聲強、聲功率等，且各因素之間相互影響，如果同時對每一種因素進(jìn)行分析和優(yōu)化，工作量較大，而Minitab軟件可以很好分析各因素之間的相互影響關(guān)系。Minitab軟件中的DOE（Design of Experiments）試驗設(shè)計，是該軟件的基本功能之一，它能夠合理安排實驗并對實驗進(jìn)行分析，降低試驗成本、減小試驗次數(shù)、縮短試驗周期，同時它還能識別出不同因子間是否有交互作用[10]。本文就是利用其中的DOE試驗設(shè)計來對影響發(fā)動機(jī)輻射噪聲的各因素進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的輻射噪聲優(yōu)化方法和流程，如圖1所示。

圖1中，首先利用hypermesh軟件將所建立的發(fā)動機(jī)幾何模型轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格模型，同時施加材料屬性、約束等計算所需的邊界條件。然后通過AVLExcite-PU、ABAQUS等軟件計算速度、加速度或位移等分析發(fā)動機(jī)輻射噪聲所需的振動邊界條件，再通過Virtual Lab軟件對輻射噪聲聲功率進(jìn)行計算，最后基于目標(biāo)要求進(jìn)行輻射噪聲的優(yōu)化。

圖1 發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析優(yōu)化流程

2 基于發(fā)動機(jī)機(jī)體的輻射噪聲優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

因為僅研究優(yōu)化機(jī)體輻射噪聲的具體過程，考慮到實際中若對優(yōu)化后的機(jī)體按照優(yōu)化方案來試制成本較高、周期較長，同時為了減少所需的邊界條件的計算量，在對機(jī)體的輻射噪聲進(jìn)行計算分析時，都在主軸承的中心添加矢量合力為1的X、Y、Z3個方向的標(biāo)準(zhǔn)集中外載荷，其中X、Y、Z3個方向分別為0.017 28、0.139 17、-0.990 12。

首先依照發(fā)動機(jī)機(jī)體的構(gòu)造形式以及各個部分對輻射噪聲的具體影響，將優(yōu)化后機(jī)體的質(zhì)量考慮在內(nèi)，選擇機(jī)體結(jié)構(gòu)中7個因素來分析和優(yōu)化，如圖2所示。7個因素分別為：機(jī)體主軸承蓋上部的隔板（隔板）6 mm，側(cè)壁厚度（側(cè)部）4.5 mm、裙部厚度（裙部）5.5 mm、裙部加強筋厚度（裙加強筋）5 mm、后端加強筋厚度（后加強筋）5 mm、機(jī)體下部油底殼結(jié)合處的厚度（下部）12 mm和側(cè)壁加強筋厚度（側(cè)加強筋）10 mm。

圖2 機(jī)體輻射噪聲各影響因素

對于上述各因素，在原來各因素所取值的基礎(chǔ)上，在許可值內(nèi)按照最小和最大值兩種方法進(jìn)行取值。若是所有因子均采用全因子組合，一共27=128種組合，計算量相對較多。而結(jié)合DOE多目標(biāo)分析手段對這7個因素采取1/8部分實施的方案來重新設(shè)計，可以大大降低組合數(shù)量而不改變7個因子對結(jié)果的影響，最終組合數(shù)為16種。機(jī)體中7個因素的取值和DOE的16種組合如表1所示。

表1 機(jī)體7個因素取值及DOE組合

2.2 各影響因素分析

輻射噪聲計算分析中，聲強、聲壓、聲功率等是其主要評價指標(biāo)。其中，測量聲壓相對比較容易，很多優(yōu)化均以聲壓為主，但有一定的限制，聲壓是矢量，它和聲源在聲場中的位置密切有關(guān)，將其作為目標(biāo)函數(shù)有一定難度，但聲功率不同，它是標(biāo)量，是指聲源在單位時間內(nèi)向外輻射的聲能的能力體現(xiàn)，對其分析更方便且能更好地了解其輻射噪聲的能力[11]。同時，機(jī)體的質(zhì)量影響機(jī)體的生產(chǎn)成本等也是實際生產(chǎn)中需要著重考慮的因素，因此，本文以機(jī)體輻射噪聲聲功率和質(zhì)量為主要的優(yōu)化目標(biāo)，利用上述16種組合的方案分別對機(jī)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，并利用多體動力學(xué)、有限元法（FEM）和邊界元法（BEM）等方法進(jìn)行有限元建模和振動噪聲計算，最終得到其16種組合的輻射噪聲聲功率和質(zhì)量，如表2所示。

表2 機(jī)體16種組合的輻射噪聲聲功率和質(zhì)量

依照表2中16種組合計算所得值，結(jié)合DOE多目標(biāo)分析的方法，對這7個影響因素進(jìn)行研究分析。這7個因素對機(jī)體輻射噪聲聲功率的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖、絕對標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)半正態(tài)分布圖和主效應(yīng)圖分別如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 聲功率的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto圖

圖4 聲功率的絕對標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)半正態(tài)圖

圖5 各因素對聲功率的主效應(yīng)圖

機(jī)體質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto圖、絕對標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)半正態(tài)分布圖和主效應(yīng)圖分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto圖

圖7 質(zhì)量的絕對標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)半正態(tài)圖

圖8 各因素對質(zhì)量的主效應(yīng)圖

從圖3和圖4中能得出7個因素對輻射噪聲聲功率的具體影響情況，其中影響最明顯的是機(jī)體的裙加強筋，影響較為明顯的是機(jī)體下部和側(cè)加強筋，而其他4個因素對其影響不明顯。另外，從圖5中還能分析出這7個因素對輻射噪聲聲功率的具體影響情況，其聲功率值隨著各個因素厚度值（即質(zhì)量）的增加而減小。

根據(jù)圖6、圖7中這7個因素對機(jī)體質(zhì)量的影響分析得出，其質(zhì)量受機(jī)體下部的厚度值影響最明顯，另外，機(jī)體的側(cè)部及裙部對其影響也較為顯著，而其他4個因素對其影響不顯著。從圖8中還可具體分析出其質(zhì)量隨各因子厚度值的增加變化的快慢情況。

本文不僅研究對整個機(jī)體輻射噪聲聲功率和質(zhì)量有影響的單個因素，也分析這7個因素之間的交互作用，如圖9、圖10所示。

圖9 各因素對機(jī)體輻射噪聲聲功率的交互作用

圖10 各因素對機(jī)體質(zhì)量的交互作用

由上面分析得出，機(jī)體的側(cè)加強筋、下部和裙加強筋3個因素對輻射噪聲聲功率有比較大的影響，但是從圖9中分析得出，它們之間無交集現(xiàn)象，也就是說這3個影響因素間的交互作用不強，可以考慮選擇改變這3個因素的值來降低該機(jī)體的輻射噪聲聲功率。而這3個因素與此外4個因素以及這4個因素彼此間都有交互作用，從圖10中可以看出，機(jī)體的質(zhì)量隨著裙加強筋厚度的增大變化不大，而機(jī)體的裙部和下部對輻射噪聲聲功率有很大的影響，但是這兩個影響因素與機(jī)體裙加強筋交互作用不強，因此可以考慮在對其質(zhì)量優(yōu)化的同時，首先選取機(jī)體的側(cè)加強筋和裙加強筋來優(yōu)化。另外，盡管機(jī)體的質(zhì)量隨著機(jī)體下部厚度值增加變化相對較大，但是機(jī)體下部對機(jī)體輻射噪聲聲功率也有很大影響，并且機(jī)體下部與其他因素對機(jī)體質(zhì)量有一定的交互作用，因此選擇對其優(yōu)化也能很大程度降低機(jī)體的輻射噪聲聲功率。

3 優(yōu)化設(shè)計

依照上述影響情況進(jìn)行研究，最終選取機(jī)體的聲功率和質(zhì)量兩個重要因素進(jìn)行優(yōu)化[12]，由表2計算得到原機(jī)體輻射噪聲聲功率值為62.0 dB(A)，質(zhì)量為31.22 kg，在原機(jī)聲功率和質(zhì)量的基礎(chǔ)上要求優(yōu)化時其質(zhì)量不超過31.6 kg，同時輻射噪聲聲功率最低要減小1.5 dB(A)，按照目標(biāo)值設(shè)置，在DOE因子響應(yīng)優(yōu)化器中輸入該值。依照優(yōu)化要求，該軟件會自動對這7個因子優(yōu)化。

如果按照該軟件中的DOE因子自動優(yōu)化功能對這7個因子進(jìn)行優(yōu)化，機(jī)體最終優(yōu)化后的輻射噪聲聲功率降低為60.28 dB(A)，質(zhì)量變?yōu)?1.50 kg。雖然該值滿足設(shè)置的要求，但是它在優(yōu)化時會對這7個影響因素都進(jìn)行自動優(yōu)化，這會導(dǎo)致在實際設(shè)計優(yōu)化機(jī)體結(jié)構(gòu)時工作量多且難度大。故按照上節(jié)中所得的各個因子對聲功率和質(zhì)量的具體影響，利用軟件中的DOE因子自動優(yōu)化手段，并根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)要求，將機(jī)體的實際結(jié)構(gòu)形式考慮在內(nèi)，重新調(diào)整這7個因子的優(yōu)化參數(shù)值。

重新調(diào)整以后，僅需優(yōu)化機(jī)體的裙加強筋、側(cè)加強筋和隔板這3個影響比較大的因素，保持其他4個影響因素的厚度值不變。最終優(yōu)化后其輻射噪聲聲功率減小為60.39 dB(A)，質(zhì)量變?yōu)?1.53 kg，提高了優(yōu)化效率，且達(dá)到優(yōu)化要求。根據(jù)上述方案對調(diào)整因子后的機(jī)體重新建立模型，用有限元法、邊界元法計算其輻射噪聲聲功率，計算結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，通過有限元法結(jié)合邊界元法計算調(diào)整后機(jī)體輻射噪聲聲功率值和運用Minitab軟件優(yōu)化后值僅差0.07 dB(A)，質(zhì)量相差0.08 kg，和計算模擬值較為吻合。經(jīng)過分析優(yōu)化后，與原機(jī)相比其輻射噪聲聲功率減小了1.54 dB(A)，而其質(zhì)量僅增加了0.39 kg，達(dá)到了優(yōu)化要求。

表3 優(yōu)化前后參數(shù)對比

4 結(jié)語

（1）針對發(fā)動機(jī)輻射噪聲分析和優(yōu)化手段中存在的問題，提出了在采用多體動力學(xué)結(jié)合有限元法（FEM）和邊界元法（BEM）的基礎(chǔ)上利用Minitab軟件中的DOE多目標(biāo)分析手段對輻射噪聲進(jìn)行優(yōu)化的具體方法。

（2）以某機(jī)體為研究對象，按照本文中的輻射噪聲優(yōu)化的具體方法，對影響輻射噪聲的7個因素以及各因素間的交互作用進(jìn)行分析，并選取輻射噪聲聲功率和質(zhì)量兩個主要參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)重新調(diào)整各因素的優(yōu)化參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化。

（3）通過Minitab對機(jī)體分析優(yōu)化后，其質(zhì)量僅增加0.39 kg，輻射噪聲聲功率減小了1.54 dB(A)，且和計算模擬值較吻合，較好地提高優(yōu)化效率，且達(dá)到了目標(biāo)值要求。