李林潔,畢嶸,張良良,韋靜思,占文鋒
(廣州汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院,廣東廣州 511434)
近年來,隨著汽車工業(yè)發(fā)展日趨成熟,人們對(duì)汽車的要求也日益提高。除了動(dòng)力性以外,舒適性也成為汽車評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。汽車噪聲作為舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)開始受到越來越多的關(guān)注[1-3],因此,發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲控制成為發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的又一熱點(diǎn)。
正時(shí)罩蓋屬于薄壁件,剛度小,面積大,很容易與跟它相連的發(fā)動(dòng)機(jī)體發(fā)生共振,輻射噪聲較大。正時(shí)罩蓋的輻射噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲的主要來源之一,占發(fā)動(dòng)機(jī)整體噪聲的比例較大,通常發(fā)動(dòng)機(jī)前端的噪聲要比其他表面的噪聲高3 dB[4]左右。因此,有效降低正時(shí)罩蓋的輻射噪聲成為正時(shí)罩蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。
近些年來,大批專家學(xué)者對(duì)正時(shí)罩蓋的減振降噪進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4-5]中分別通過拓?fù)鋬?yōu)化及形狀優(yōu)化對(duì)某型號(hào)內(nèi)燃機(jī)的正時(shí)罩蓋進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),利用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)內(nèi)部生成加強(qiáng)筋的材料進(jìn)行了重新布置,取得了滿意的效果。盧兆剛等[6]利用頻譜分析和模態(tài)分析獲得正時(shí)罩輻射噪聲的關(guān)鍵模態(tài),然后利用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)其內(nèi)部的加強(qiáng)筋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
本文作者利用有限元的方法分析裝配狀態(tài)下正時(shí)罩蓋的各階振型,獲得其噪聲輻射的關(guān)鍵模態(tài);并施加單位載荷于正時(shí)罩蓋的有限元模型,將其作為動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的激勵(lì),得到正時(shí)罩蓋表面響應(yīng)分布,然后通過試驗(yàn)來驗(yàn)證其模型準(zhǔn)確性。文中以動(dòng)剛度作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)其內(nèi)部的加強(qiáng)筋進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)及布置,使該正時(shí)罩蓋的模態(tài)振型避開正時(shí)輪系嚙合激勵(lì)頻段, 進(jìn)而降低輻射噪聲,仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該方法的有效性。
動(dòng)剛度是指在交變載荷作用下抵抗動(dòng)態(tài)變形的能力。它可以表示為產(chǎn)生單位振幅所需要的動(dòng)態(tài)力,是衡量結(jié)構(gòu)抗振能力的常用指標(biāo)。在動(dòng)態(tài)力作用下,結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度越大,振動(dòng)量越小;反之,結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度越小,振動(dòng)量越大。對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng),動(dòng)剛度為頻率的函數(shù),其數(shù)值取決于結(jié)構(gòu)本身的參數(shù):靜剛度、阻尼和質(zhì)量。
根據(jù)物理定律有公式(1)—(3),可推導(dǎo)動(dòng)剛度公式K:
(1)
ω=2πf
(2)
K=F(ω)/X(ω)
(3)
式中:a為相應(yīng)點(diǎn)隨頻率變化的加速度,m/s2;X(ω)為相應(yīng)點(diǎn)隨頻率變化的位移,m;F(ω)為激勵(lì)點(diǎn)隨頻率變化的載荷,N;ω為圓頻率,rad/s;f為固有頻率,Hz;K為相應(yīng)點(diǎn)隨頻率變化的剛度,N/m。
加速度導(dǎo)納為加速度與激勵(lì)力的比值,如果振動(dòng)加速度的響應(yīng)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)重合,其比值稱為源點(diǎn)加速度導(dǎo)納,函數(shù)表達(dá)式如式(4):
(4)
式中:aIPIf為源點(diǎn)加速度導(dǎo)納響應(yīng)(IPI)分析所得曲線上對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)加速度值。
當(dāng)頻率f=fi(i>0)時(shí),由式(4)得到頻率fi時(shí)的動(dòng)剛度為
(5)
如果通過IPI分析得到圖1中的響應(yīng)曲線(對(duì)數(shù)曲線),根據(jù)式(5)可以得到圖2中的動(dòng)剛度曲線K(對(duì)數(shù)曲線),縱坐標(biāo)為每個(gè)頻率fi對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度值Kfi。
圖1 IPI響應(yīng)加速度曲線
圖2 IPI響應(yīng)剛度曲線
便于對(duì)結(jié)果處理,一般直接采用IPI響應(yīng)曲線進(jìn)行分析,并采用分析點(diǎn)的等效動(dòng)剛度Ka與動(dòng)剛度目標(biāo)值Kd比較,從而對(duì)動(dòng)剛度特性進(jìn)行分析。
由IPI分析得到的響應(yīng)曲線,如圖1所示,計(jì)算曲線所包圍的面積,則有公式(6):
(6)
式中:sIPI_K為IPI分析中IPI_K曲線所包圍的面積;Δf為計(jì)算頻率步長(zhǎng)。
令
(7)
將式(7)代入式(6)得到該連續(xù)點(diǎn)的等效動(dòng)剛度Ka,見公式(8):
(8)
由式(4)可作出目標(biāo)動(dòng)剛度Kd的IPI響應(yīng)曲線IPI_Kd,如圖1所示。
如果圖1中的曲線IPI_K所包圍的面積小于目標(biāo)曲線IPI_Kd所包圍的面積,則表示該連續(xù)點(diǎn)的等效動(dòng)剛度Ka≥Kd;如果圖中曲線IPI_K在某頻率下在IPI_Kd下方,則表示該連續(xù)點(diǎn)在該方向該頻率fi的動(dòng)剛度Kfi≥Kd(i>0);反之,Kfi 通過有限元的方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)剛度數(shù)值仿真計(jì)算,模型是否正確關(guān)系到仿真結(jié)果正確與否的最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。將有限元模型用于仿真計(jì)算前,需要對(duì)其有效性進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算,即需要進(jìn)行模態(tài)分析。為了保障模型邊界條件的準(zhǔn)確性,有限元模型包含油底殼、缸體、缸蓋、缸蓋罩、凸輪軸、正時(shí)罩蓋、進(jìn)氣歧管、右懸置支架等,采用二階四面體網(wǎng)格對(duì)各零部件進(jìn)行有限元建模,忽略機(jī)體的鑄造圓角與螺栓孔倒角,如圖3所示。 圖3 有限元模型 在實(shí)際工作過程中,正時(shí)罩蓋是和機(jī)體、缸蓋通過螺栓連接在一起的,建立零部件的連接關(guān)系時(shí),在HyperMesh中通過bar單元實(shí)現(xiàn)螺栓連接,其他螺栓連接部位也采用bar單元的連接方式,電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、節(jié)氣門等附件系統(tǒng)以質(zhì)量點(diǎn)代替,附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,并通過REB2的形式與周圍的網(wǎng)格連接。將圖3所示的有限元模型,導(dǎo)入ABAQUS軟件中進(jìn)行求解,得到正時(shí)罩蓋的前4階模態(tài),如圖4所示。 圖4 模態(tài)分析結(jié)果 根據(jù)材料參數(shù)測(cè)試的結(jié)果設(shè)定有限元模型的材料參數(shù),以模態(tài)分析的有限元模型為基礎(chǔ),建立頻響分析模型,如圖5所示,圖中點(diǎn)1001、1002為響應(yīng)特征節(jié)點(diǎn)。 圖5 頻響分析模型 在整機(jī)條件下,對(duì)正時(shí)罩蓋進(jìn)行頻響測(cè)試,參考有限元模型中的激勵(lì)點(diǎn)及響應(yīng)特征節(jié)點(diǎn),頻響結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,源點(diǎn)1001測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相近,且動(dòng)剛度水平較低,與整機(jī)邊界下正時(shí)罩蓋的1階模態(tài)相對(duì)應(yīng);源點(diǎn)1002動(dòng)剛度水平較高,且頻響峰值與正時(shí)罩蓋的3個(gè)主要模態(tài)相對(duì)應(yīng)。 圖6 頻響分析結(jié)果 為了驗(yàn)證正時(shí)罩蓋結(jié)構(gòu)參數(shù)與輻射噪聲的關(guān)系,在消聲實(shí)驗(yàn)室中,進(jìn)行1 m聲壓級(jí)測(cè)試,如圖7所示。 圖7 噪聲測(cè)試 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)罩蓋進(jìn)行近場(chǎng)噪聲測(cè)試時(shí),頻率為1 400 Hz頻段對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)最大,如圖8所示。頻響峰值頻率對(duì)應(yīng)了正時(shí)罩蓋近場(chǎng)噪聲共振頻率帶中心頻率,推測(cè)正時(shí)罩蓋在中心頻率1 400 Hz時(shí)發(fā)生共振。為此,通過提高正時(shí)罩蓋的動(dòng)剛度,進(jìn)而使罩蓋的固有模態(tài)避開該頻率范圍,盡可能減少共振的可能性。 一般來說,正時(shí)罩蓋為大面積薄壁件,且布置了許多安裝孔,使得其動(dòng)剛度較弱,容易引起整體的一階彎曲振動(dòng),整機(jī)邊界條件下的模態(tài)計(jì)算也證實(shí)了這一點(diǎn)。因此為了提高正時(shí)罩蓋的動(dòng)剛度,必須在滿足強(qiáng)度要求的前提下,在動(dòng)剛度薄弱的部位增加加強(qiáng)筋,使得整體的剛度分布更加合理,經(jīng)過反復(fù)修改和計(jì)算后,確定有效改進(jìn)措施,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖9所示。 圖9 優(yōu)化前、后有限元模型 對(duì)優(yōu)化的后正時(shí)罩蓋進(jìn)行動(dòng)剛度計(jì)算,并通過試驗(yàn)來驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果,如圖10所示。優(yōu)化后的部位動(dòng)剛度有顯著的提高,基本達(dá)到目標(biāo)值要求。 圖10 優(yōu)化前、后動(dòng)剛度對(duì)比 圖11為臺(tái)架噪聲試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,測(cè)試點(diǎn)為靠近發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)罩蓋側(cè)。通過正時(shí)罩蓋優(yōu)化前、后聲壓對(duì)比可以看出:在整個(gè)轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi),優(yōu)化后的輻射噪聲有了明顯減小;同時(shí),轉(zhuǎn)速為2 000 r/min與3 800 r/min工況下出現(xiàn)的峰值也消失。通過優(yōu)化剛度,實(shí)現(xiàn)了降低輻射噪聲的要求。 圖11 噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比 CAE 技術(shù)的迅速發(fā)展使得工程師們可以在計(jì)算機(jī)上預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的NVH性能,還節(jié)省了大量的時(shí)間和成本。文中正是基于數(shù)值仿真技術(shù),以提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的固有頻率、優(yōu)化其動(dòng)剛度分布為目標(biāo),對(duì)正時(shí)罩蓋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過對(duì)正時(shí)罩蓋薄弱處增加加強(qiáng)筋,避開了正時(shí)罩的一階模態(tài),減小其共振的可能性,同時(shí)動(dòng)剛度得到了很大的提高。試驗(yàn)結(jié)果表明,優(yōu)化后的正時(shí)罩蓋對(duì)改善整機(jī)的輻射噪聲效果明顯。2 有限元計(jì)算及實(shí)驗(yàn)對(duì)比
2.1 模態(tài)分析
2.2 頻響分析
3 結(jié)論