某發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

徐小彬，邢金昕，曹立聰

某發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

徐小彬，邢金昕，曹立聰

（華晨汽車(chē)工程研究院CAE工程室，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

文章利用聲學(xué)邊界元理論，使用Virtual.Lab軟件分析發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射噪聲；然后在計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足目標(biāo)值的情況下提出了優(yōu)化方案，并對(duì)方案進(jìn)行仿真分析；最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。通過(guò)仿真分析的方式，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約了研發(fā)成本。

發(fā)動(dòng)機(jī)；輻射噪聲；Virtual.Lab；優(yōu)化

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的主要噪聲源，因此降低汽車(chē)噪聲總水平，應(yīng)以控制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲為主要目標(biāo)，這也是各大主機(jī)廠高度重視發(fā)動(dòng)機(jī)降噪的原因。按照發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理分類(lèi)，可分為空氣動(dòng)力性噪聲、機(jī)械性噪聲、電磁性噪聲、燃燒噪聲四類(lèi)?？諝庑栽肼暿怯蓺饬鞑▌?dòng)引起的，如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣、風(fēng)扇等噪聲；機(jī)械噪聲是由固體振動(dòng)產(chǎn)生的，如活塞缸套拍擊、配氣正時(shí)等噪聲；電磁噪聲是由磁場(chǎng)產(chǎn)生的，如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等噪聲；燃燒噪聲是由于燃燒產(chǎn)生的劇烈沖擊和爆發(fā)壓力產(chǎn)生。

本文以聲學(xué)原理和邊界元理論為基礎(chǔ)，首先計(jì)算了整機(jī)的輻射噪聲，發(fā)現(xiàn)結(jié)果不滿(mǎn)足目標(biāo)值，然后通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體曲軸箱部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)輻射面薄弱部位的剛度，可提升發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射噪聲品質(zhì)，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了新方案的可行性。極大程度的縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本。

1 搭建發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型

1.1 有限元模型的建立

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型由Pro/E軟件建立，通過(guò)Hypermesh軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，其中，使用二階四面體網(wǎng)格劃分的有缸體、缸蓋、氣門(mén)室罩蓋、鏈輪室罩蓋、進(jìn)氣歧管、排氣歧管還有鑄件支架等，而油底殼及其包含的擋油板用殼網(wǎng)格劃分，發(fā)動(dòng)機(jī)的有限元模型如圖1所示。將部件的材料屬性分別賦予給各發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型示意圖

1.2 振動(dòng)噪聲模型的建立

基于圖1所劃分的發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型，利用LMS Virtual.Lab軟件和邊界元理論，建立發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的聲學(xué)包絡(luò)網(wǎng)格，如圖2所示，此網(wǎng)格是一層緊貼在有限元網(wǎng)格上的一階四邊形殼網(wǎng)格，目的是將發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞到其聲學(xué)包絡(luò)網(wǎng)格上。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的聲學(xué)網(wǎng)格

2 分析理論基礎(chǔ)

在計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)輻射噪聲的時(shí)候，不僅需要聲學(xué)有限元和邊界元理論，還需要使用到聲學(xué)傳遞向量ATV。ATV是系統(tǒng)的固有屬性，是結(jié)構(gòu)法線方向的振動(dòng)速度與場(chǎng)點(diǎn)聲壓之間的一種線性關(guān)系。在小壓力擾動(dòng)的情況下，可以認(rèn)為聲學(xué)方程式線性的，因此可以在輸入和輸出之間建立一種線性的關(guān)系，如果將結(jié)構(gòu)表面離散成有限個(gè)單元，這樣在聲場(chǎng)中某點(diǎn)處聲壓為[1]：

式中，ATV為聲學(xué)傳遞向量，為結(jié)構(gòu)表面法線方向上的振動(dòng)速度，為角頻率。

3 結(jié)果計(jì)算及優(yōu)化方案確定

3.1 仿真計(jì)算結(jié)果

利用EXCITE-PU軟件對(duì)曲軸動(dòng)力學(xué)的建模計(jì)算可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)加速度作為聲學(xué)計(jì)算的輸入端，再通過(guò)Virtual.Lab計(jì)算得到的聲傳遞向量作為傳遞函數(shù)，最后便可以計(jì)算得到聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲壓值。

為了與試驗(yàn)所用的五點(diǎn)法相驗(yàn)證，在發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)網(wǎng)格外建立一個(gè)距發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)端面1米的包絡(luò)網(wǎng)格如圖3所示，在包絡(luò)網(wǎng)格上選取氣門(mén)室罩蓋、鏈輪室罩蓋、進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)、油底殼相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)點(diǎn)作為計(jì)算聲壓級(jí)的結(jié)果提取點(diǎn)。計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速下，5個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的平均聲壓級(jí)，圖4為4000rpm轉(zhuǎn)速下計(jì)算得到的各點(diǎn)聲壓級(jí)。

圖3 振動(dòng)噪聲的邊界元模型

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)4000rpm時(shí)各點(diǎn)平均聲壓級(jí)

計(jì)算得到的各個(gè)轉(zhuǎn)速平均聲壓級(jí)如表1所示，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的整機(jī)平均聲壓級(jí)均高于目標(biāo)值，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化以滿(mǎn)足目標(biāo)值。

表1 各轉(zhuǎn)速下的整機(jī)平均聲壓值

3.2 優(yōu)化方案確定

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生有三個(gè)要素存在：激勵(lì)源、傳遞路徑及響應(yīng)，三者缺一不可?？刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的策略，首先確保不產(chǎn)生新噪聲源，其次是降低聲源的強(qiáng)度，最后是優(yōu)化傳遞路徑，以及控制噪聲響應(yīng)或者阻隔噪聲的傳遞。

根據(jù)以上優(yōu)化噪聲的措施，并結(jié)合文章的具體實(shí)際案例出來(lái)，從噪聲源著手優(yōu)化噪聲，需要進(jìn)行更改燃燒室、優(yōu)化配氣鏈條以及活塞缸套等設(shè)計(jì)參數(shù)，根源上確實(shí)能降低激勵(lì)，但是會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性、排放等性能，對(duì)后續(xù)其他學(xué)科需要進(jìn)行重新校核，優(yōu)化的時(shí)間成本及生產(chǎn)成本會(huì)很高，因此，排除優(yōu)化激勵(lì)源的方法；在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲傳遞過(guò)程中采取采取相應(yīng)的措施使其衰減，如增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度和阻尼、減少噪聲輻射面積及添加隔聲裝置，并且此措施不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)其他性能產(chǎn)生影響，優(yōu)化的方案可行性比較高。

綜上所述，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體輻射表面增加加強(qiáng)筋，達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體的剛度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)激勵(lì)，并且將發(fā)動(dòng)機(jī)固有頻率提高，使其遠(yuǎn)離強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率段范圍，具體優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖5所示，分析結(jié)果見(jiàn)圖6。

通過(guò)分析結(jié)果圖7發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的整體平均聲壓值得到了明顯的改善。與優(yōu)化前相比，4000rpm轉(zhuǎn)速下，整體平均聲壓值降低了5dB(A)；5500rpm轉(zhuǎn)速下，整體平均聲壓值降低了6dB(A)；6000rpm轉(zhuǎn)速下，整體平均聲壓值降低了5dB(A)。此優(yōu)化方案在中高轉(zhuǎn)速時(shí)的降噪效果明顯。

圖5 優(yōu)化前后方案圖示

圖6 優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下平均聲壓級(jí)

圖7 優(yōu)化前后整機(jī)平均聲壓值對(duì)比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化前后的樣機(jī)進(jìn)行振動(dòng)噪聲測(cè)試。通過(guò)優(yōu)化前后數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)聲學(xué)仿真模型的合理性。利用五點(diǎn)法測(cè)試出各個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的氣門(mén)室罩蓋頂端、發(fā)動(dòng)機(jī)前端、進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)、油底殼底部的一米噪聲結(jié)果。

圖8 試驗(yàn)得到優(yōu)化前后整機(jī)平均聲壓值對(duì)比

如圖8所示，從對(duì)比結(jié)果中得出，優(yōu)化后的整機(jī)輻射噪聲明顯好于優(yōu)化前的噪聲。在4000rpm時(shí)降低2dB(A)；5500rpm轉(zhuǎn)速下，整體平均聲壓值降低了4dB(A)；6000rpm轉(zhuǎn)速下，整體平均聲壓值降低了5dB(A)。整體表現(xiàn)在中高轉(zhuǎn)速下優(yōu)化效果明顯，與仿真值的結(jié)果基本吻合，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型及噪聲邊界元模型是可信的。

圖10 試驗(yàn)得到優(yōu)化前后頻譜圖

如圖9的優(yōu)化前后的頻譜所示，在600Hz-8000Hz范圍內(nèi)優(yōu)化效果明顯，整體表現(xiàn)在中高頻率優(yōu)化效果顯著。

5 結(jié)論

隨著當(dāng)今國(guó)內(nèi)乘用車(chē)市場(chǎng)日漸成熟，客戶(hù)對(duì)于汽車(chē)的需求也在逐步的提高，由以前的單純的關(guān)注汽車(chē)可靠性轉(zhuǎn)變?yōu)楦幼⒅爻塑?chē)的舒適性和駕乘體驗(yàn)。汽車(chē)的整機(jī)NVH性能還有研發(fā)周期的長(zhǎng)短是決定著企業(yè)能否持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。在研發(fā)階段運(yùn)用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式極大的縮短了研發(fā)周期，控制著生產(chǎn)成本。本文首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲進(jìn)行計(jì)算；然后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低其輻射噪聲；最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，有效的改善整車(chē)NVH性能，對(duì)于提高駕乘的舒適性有著重要意義。

[1] 李增剛,詹福良.Virtual.Lab Acoustics[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2006:95-125.

Optimization and test verification of radiated noise of engine

Xu Xiaobin, Xing Jinxin, Cao Licong

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, CAE Engineering Section, Liaoning Shenyang 110141 )

In this paper, the radiated noise of engine is analyzed by use of acoustic boundary element theory and Virtual.Lab software.Then the optimization scheme is proposed when the result of calculation does not meet the target value,and the scheme is simulated and analyzed.Finally,the feasibility of the optimization scheme is verified by tests.By means of simulation analysis,the research development cycle is shortened and development cost is saved.

engine; radiated noise; Virtual.Lab; optimization

U467

A

1671-7988(2019)13-117-03

U467

A

1671-7988(2019)13-117-03

徐小彬，男，碩士研究生，動(dòng)力總成組主管（主任工程師），中級(jí)工程師，就職于華晨汽車(chē)工程研究院CAE工程室，主要研究發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有限元、發(fā)動(dòng)機(jī)多體動(dòng)力學(xué)方向及發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲等領(lǐng)域。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.040