柴油機(jī)油底殼噪聲優(yōu)化控制

鄧紅喜 陳浩 黃文星 薛福英 吳習(xí)文 秦盼盼

（1-江蘇四達(dá)動力機(jī)械集團(tuán)有限公司江蘇無錫2140002-江鈴汽車股份有限公司3-江蘇大學(xué)）

柴油機(jī)油底殼噪聲優(yōu)化控制

鄧紅喜1陳浩1黃文星2薛福英3吳習(xí)文3秦盼盼3

（1-江蘇四達(dá)動力機(jī)械集團(tuán)有限公司江蘇無錫2140002-江鈴汽車股份有限公司3-江蘇大學(xué)）

以一臺四缸增壓柴油機(jī)的油底殼為研究對象，通過建立該油底殼的有限元模型，并利用ANSYS軟件對其進(jìn)行有限元模態(tài)分析。然后采用材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施，對油底殼噪聲進(jìn)行優(yōu)化控制，最后通過噪聲對比試驗驗證其降噪效果。結(jié)果表明，優(yōu)化改進(jìn)后，油底殼的固有頻率和模態(tài)振型都得到了改善，其近聲場聲壓級降低了1.87dB（A），發(fā)動機(jī)整機(jī)噪聲聲功率級降低了0.62dB（A），達(dá)到了一定的降噪效果，同時對殼類薄壁零件的降噪工作具有一定的指導(dǎo)意義。

柴油機(jī)油底殼噪聲控制有限元分析

引言

在發(fā)動機(jī)的所有零部件中，作為薄壁件的油底殼具有聲輻射面積大的特點，是發(fā)動機(jī)噪聲的主要輻射源之一，其輻射噪聲可占發(fā)動機(jī)表面總輻射噪聲的20%左右[1，2]。同時其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性與振動響應(yīng)特性對發(fā)動機(jī)整機(jī)性能的影響也比較顯著，因此降低油底殼輻射噪聲是控制發(fā)動機(jī)噪聲的一個重要環(huán)節(jié)[3，4]。

振動噪聲問題的解決越來越緊迫，傳統(tǒng)的設(shè)計改進(jìn)方法已顯得力不從心，先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計與分析手段不斷涌現(xiàn)，其中模態(tài)分析技術(shù)發(fā)揮了重要作用[5]。對于特定機(jī)型的油底殼來說，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一個多自由度系統(tǒng)，具有多階固有頻率和模態(tài)振型[6]。利用有限元模態(tài)分析計算，得到該油底殼固有頻率和振型，指導(dǎo)對油底殼進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如改變油底殼的形貌結(jié)構(gòu)、材料屬性等，從而改變油底殼的固有頻率、質(zhì)量、剛度分布和阻尼特性，改進(jìn)其模態(tài)，并且避開一定工況下的外界激振頻率帶，從而降低其輻射噪聲。

本文以一臺四缸增壓柴油機(jī)的油底殼為研究對象，首先利用有限元軟件為工具，建立其有限元模型，并利用ANSYS軟件對其進(jìn)行有限元模態(tài)分析，分析油底殼的動態(tài)特性，進(jìn)而采取針對性的優(yōu)化改進(jìn)措施，從而達(dá)到降低油底殼輻射噪聲的目的，同時為殼類薄壁零件的降噪改進(jìn)提供指導(dǎo)。

1 油底殼有限元建模及模態(tài)分析

1.1 幾何模型的簡化與有限元模型的建立

采用三維建模軟件PRO/E，按柴油機(jī)油底殼實際結(jié)構(gòu)建立物理模型，在建立有限元模型前對油底殼實體模型進(jìn)行一定簡化，主要為：

1）油底殼上面的游標(biāo)尺管尺寸很小，忽略了這一細(xì)微的部件；

2）將放油螺栓省略，因為放油螺栓對油底殼模態(tài)的影響極小。

這樣建模和計算更為簡單，結(jié)合面處的26顆螺栓孔全部按照實際大小和安裝位置畫出[7]，圖1為簡化后的油底殼的幾何模型。

圖1 油底殼簡化后的幾何模型

因為油底殼為薄殼結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行有限元分析的過程中，采用了SHELL單元，其結(jié)構(gòu)厚度用實常數(shù)來表示。利用PRO/E與HyperMesh軟件之間的接口，將PRO/E中建立好的油底殼幾何模型導(dǎo)入到HyperMesh中，在HyperMesh中抽取油底殼中面，并進(jìn)行幾何清理。定義單元類型為Shell單元，且為3節(jié)點與4節(jié)點單元共同組成的混合體單元，通過設(shè)置總體的單元尺寸，對油底殼進(jìn)行均勻的智能網(wǎng)格劃分。

有限元網(wǎng)格劃分好之后需要確定油底殼的材料。柴油機(jī)油底殼是薄鋼板沖壓成型，其材料特性如表1所示。

由于油底殼在工作時是固定在機(jī)體上的，此時的模態(tài)與油底殼處于自由狀態(tài)時的模態(tài)有所不同。因此計算了最接近實際工作時的處于結(jié)合面固定狀態(tài)的油底殼模態(tài)，這時將處于26顆油底殼螺栓位置的關(guān)鍵點的所有自由度全部約束，作為邊界條件處理，得到的油底殼有限元模型如圖2所示。

表1 油底殼的材料特性參數(shù)

圖2 油底殼的有限元模型

1.2 有限元模態(tài)計算及結(jié)果分析

將前面所建立油底殼的有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，并進(jìn)行自由模態(tài)計算，從而獲得油底殼的各階固有頻率與相應(yīng)的模態(tài)振型。由于所關(guān)心的是低階模態(tài)，所以選用BlockLanczos（分塊蘭索斯法）提取油底殼的前六階振動模態(tài)，求解得該油底殼的各階模態(tài)振型如圖3所示。

表2為油底殼有限元模態(tài)分析求得的固有頻率及模態(tài)特征。從表中可以看出，油底殼在約束狀態(tài)下，模態(tài)比較密集，其前六階頻率值在300 Hz～700 Hz之間，即在低中頻范圍內(nèi)，而其激發(fā)的噪聲頻率的范圍正好處在人耳聽覺比較敏感的頻率范圍內(nèi)。

表2 原油底殼各階固有頻率及模態(tài)特征

圖3 原油底殼各階模態(tài)振型圖

從前六階模態(tài)振型圖可以看出：該油底殼在約束狀態(tài)下的模態(tài)特征主要表現(xiàn)為局部的振動，各板的彎曲振型相當(dāng)復(fù)雜，分別存在一個、兩個甚至四個波數(shù)的波形，并且不同部位振動幅值相差很大；油底殼左右兩側(cè)板的振型基本呈現(xiàn)對稱或者反對稱的形式。油底殼前側(cè)面的尺寸相對較小，結(jié)構(gòu)緊湊，故其剛度較大，因此振動量不大。而后側(cè)板面積尺寸較大，故其剛度相對較小，當(dāng)激振頻率為627 Hz左右時，后側(cè)板發(fā)生共振，振動量較大。個別模態(tài)比如第六階表現(xiàn)為油底殼不同側(cè)面的振型疊加，其模態(tài)表現(xiàn)為上下底面同時鼓脹共振，能量分布較為均勻。

因此可以知道，該油底殼振動幅度較大的部位是上下底面、左右側(cè)面和后側(cè)面，這幾處都是很有可能引起低頻共振的部位。結(jié)構(gòu)振動較大的部位，多是能量集中的部位，也是對整體而言剛度較為薄弱的部位，基于油底殼的優(yōu)化改進(jìn)方案也主要從這幾個側(cè)面入手[8]。

2 油底殼噪聲的控制優(yōu)化

2.1 油底殼的改進(jìn)優(yōu)化

建立了油底殼的有限元模型，并利用模態(tài)分析技術(shù)求解了其振動特性參數(shù)，已經(jīng)具備了進(jìn)行噪聲優(yōu)化控制的基本條件，可以通過優(yōu)化參數(shù)來確定。針對噪聲的特性，對該柴油機(jī)油底殼的輻射噪聲進(jìn)行控制優(yōu)化。

油底殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化需要兼顧幾個方面：一是噪聲輻射最??；二是增加的質(zhì)量不能太大；三是不影響油底殼的安裝和拆卸；四是機(jī)油容積變化不能過大。綜合考慮這幾方面，再加之對原油底殼的有限元分析，為了有效地增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，降低其輻射噪聲，對該油底殼進(jìn)行材料特性優(yōu)化和形貌結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1.1 油底殼的材料特性優(yōu)化

原油底殼為鋼板沖壓成型的薄殼結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量輕而且剛度小，很容易由于發(fā)動機(jī)機(jī)體的振動產(chǎn)生的激振力使其與發(fā)動機(jī)發(fā)生共振，從而產(chǎn)生噪聲。且鋼板油底殼作為薄壁件，其隔噪效果差，而鑄鋁油底殼剛度好，吸聲和隔聲效果都要優(yōu)于鋼板。該柴油機(jī)主要用于農(nóng)用機(jī)械，可以改變油底殼的材料，適當(dāng)增加其厚度和重量來提高油底殼的結(jié)構(gòu)剛度，同時綜合考慮油底殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化需要兼顧的條件。改進(jìn)后的鑄鋁油底殼的材料特性參數(shù)為：厚度T=6 mm，彈性模量E=69000 MPa，泊松比μ=0.34，密度ρ= 2650 kg/m3。

2.1.2 油底殼的形貌結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該油底殼約束狀態(tài)下的模態(tài)特征主要表現(xiàn)為局部的振動，側(cè)面和底面的大部分平面是油底殼的主要振動部位，改進(jìn)時應(yīng)從這類平面著手。同時需要注意的是，油底殼是多自由度系統(tǒng)，無論是自由模態(tài)，還是約束模態(tài)，都存在很多階。針對兩種模態(tài)的優(yōu)化，都可能發(fā)生某一階的節(jié)點使另一階模態(tài)位移變大或者影響到附近的區(qū)域，因此不能通過加一個板或僅僅提高一處的剛度來提高殼體整體的剛度，必須綜合考慮。

結(jié)構(gòu)振動較大的部位，多是能量集中的部位，也是對整體而言剛度較為薄弱的部位，對油底殼的主要輻射部位進(jìn)行加筋處理，不僅可以提高油底殼剛度，同時又把幾個側(cè)板和底板聯(lián)系在了一起，這樣對側(cè)面的同相或者反相的振動都有牽制作用，從而在一定程度上起到了分散振動能量的作用。

2.2 油底殼改進(jìn)優(yōu)化后的模態(tài)分析

油底殼采用鑄鋁材料，并對其側(cè)面和底面采用加筋處理，得到優(yōu)化改進(jìn)后的油底殼的幾何模型如圖4所示。

圖4 鑄鋁加筋油底殼的幾何模型

將處理好的有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS中，應(yīng)用ANSYS軟件對鑄鋁油底殼進(jìn)行模態(tài)分析，求解得該油底殼的前六階固有頻率和模態(tài)振型。

從表3可以看出，通過改變油底殼材料，原油底殼的各階固有頻率都得到了很大幅度的提高，其一階固有頻率提高了148.5%。由于原油底殼前幾階固有頻率離共振區(qū)太近，采用鑄鋁加筋油底殼后，其固有頻率遠(yuǎn)離了共振區(qū)域，從而避開部分低頻范圍內(nèi)的共振，可以降低油底殼的振動輻射噪聲。

改進(jìn)后的油底殼約束狀態(tài)下的主要模態(tài)振型如圖5所示。表4給出了鑄鋁加筋油底殼各階固有頻率及模態(tài)特征。

圖5 鑄鋁加筋油底殼各階模態(tài)振型圖

表3 油底殼優(yōu)化改進(jìn)前后各階固有頻率對比

表4 鑄鋁加筋油底殼各階固有頻率及模態(tài)特征

與原油底殼相比，鑄鋁加筋油底殼的各階模態(tài)振型都發(fā)生了顯著的變化。如第二階振型由波數(shù)為1的下底板的鼓脹，變?yōu)椴〝?shù)為2的左右側(cè)板的同向鼓脹；第三階振型由波數(shù)為2的左右側(cè)板同向鼓脹，變?yōu)椴〝?shù)為2的下底板的前后鼓脹；第五階振型由波數(shù)為1的后板鼓脹，變?yōu)椴〝?shù)為2的左右側(cè)板的同向鼓脹；這是由于油底殼材料和厚度的不同，導(dǎo)致了油底殼殼體內(nèi)部質(zhì)量和剛度分布有所改變，從而導(dǎo)致了振型的變化。

此外，改進(jìn)后的油底殼發(fā)生明顯振動的部位增加，使得油底殼的局部振動特性和局部振動強(qiáng)度降低，提高了整體振動特性和整體振動強(qiáng)度，在一定程度上分散了能量作用強(qiáng)度，從而降低油底殼的輻射噪聲。

2.3 油底殼改進(jìn)優(yōu)化后的降噪效果

在油底殼優(yōu)化改進(jìn)前后，分別對發(fā)動機(jī)進(jìn)行噪聲對比試驗，得到原油底殼與鑄鋁加筋油底殼的近聲場1/3倍頻程頻譜對比曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，鑄鋁加筋油底殼與原油底殼相比，其低中頻范圍內(nèi)的噪聲聲壓級得到了明顯的降低。究其原因，是因為原油底殼前六階固有頻率主要集中在300Hz～700Hz之間，很容易發(fā)生低頻共振，而采取鑄鋁加筋措施后，其各階固有頻率得到了較大的提高，前六階固有頻率主要分布在800Hz～ 1800Hz之間，遠(yuǎn)離了共振區(qū)域，從而避開了低頻范圍的共振，使得其低頻噪聲明顯降低。

另外，從圖中頻譜對比曲線可以知道，在大部分頻率段，鑄鋁加筋措施對油底殼的輻射噪聲都有很好的抑制作用，尤其是在對某些峰值的抑制上，其近聲場各頻率處的聲壓級明顯降低。這是由于在優(yōu)化改進(jìn)后，油底殼的內(nèi)部質(zhì)量和剛度的分布都發(fā)生了變化，其整體結(jié)構(gòu)剛度得到了提高，同時在一定程度上分散了振動能量的作用強(qiáng)度，從而降低了油底殼的輻射噪聲。

試驗結(jié)果表明，油底殼在優(yōu)化改進(jìn)后，其近聲場聲壓級降低了1.87dB（A）的同時，發(fā)動機(jī)整機(jī)噪聲聲功率級也降低了0.62dB（A）。

圖6 油底殼優(yōu)化前后其近聲場1/3倍頻程頻譜曲線對比圖

3 結(jié)論

本文以某柴油機(jī)油底殼為研究對象，利用ANSYS軟件對其進(jìn)行有限元模態(tài)分析，獲得其前六階固有頻率主要分布在300～700Hz的低中頻范圍內(nèi)，且油底殼振動幅度較大的部位是上下底面、左右側(cè)面和后側(cè)面。

對油底殼進(jìn)行材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分別采取鑄鋁油底殼和鑄鋁油底殼加筋措施后，油底殼各階固有頻率都得到了較大的提高，其前六階固有頻率主要分布在800Hz～1800Hz之間，遠(yuǎn)離了共振區(qū)域。此外，改進(jìn)后的油底殼發(fā)生明顯振動的部位增加，在一定程度上分散了振動能量的作用強(qiáng)度，其模態(tài)振型得到了較大的改善。

油底殼在優(yōu)化改進(jìn)后，其近聲場聲壓級降低了1.87dB（A）的同時，發(fā)動機(jī)整機(jī)噪聲聲功率級也降低了0.62dB（A），達(dá)到了一定的降噪效果，驗證了有限元分析技術(shù)在噪聲控制優(yōu)化中的作用，同時對殼類薄壁零件的降噪具有一定的指導(dǎo)意義。

1賈維新，郝志勇，楊金才.發(fā)動機(jī)油底殼輻射噪聲預(yù)測方法的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2005，23（3）：269～273

2Mandal K，Atherton D L.A study of magnetic flux-leakage signals[J].Journal of Physics D：Applied Physics，1998，31（22）：3211～3217

3王雙，任家潮，陳毅，等.柴油機(jī)油底殼NVH分析及試驗[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2012，41（6）：7～10

4錢人一.汽車發(fā)動機(jī)噪聲控制[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997

5宋寶安.柴油機(jī)低噪聲結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計方法的研究[D].天津：天津大學(xué)，2007

6郭昂.基于Ansys的4120S型柴油機(jī)油底殼動態(tài)特性分析[D].大連：大連海事大學(xué)，2011

7Yuan Zhaocheng，Zhang Liang.Modal analysis and structure analysis for oil pan of 4118Z diesel engine[J].Automotive Engineering，2001，23：156～159

8AQ Liu，SP Lim，ST Chow.Statistieal energy analysis on the damping effect of the oil pan on engine vibration[J].Applied Acoustics，1991（2）：131～141

Noise Optimization and Control of a Diesel Engine Oil Pan

Deng Hongxi1，Chen Hao1，Huang Wenxing2，Xue Fuying3，Wu Xiwen3，Qin Panpan3
1-Jiangsu Sida Power Mechanical Group Co.，Ltd.（Wuxi，Jiangsu，214000，China）2-Jiangling Motors Co.，Ltd.3-Jiangsu University

The oil pan of a 4-cylinder turbocharged diesel engine is taken as the research object，a finite element model of the oil pan is established for calculating modal analysis with the ANSYS.The material optimization and structure optimization measures are used to control the noise of oil pan.The effect of noise reduction of oil pan is verified by test.The results show that the natural frequency and modal vibration mode of oil pan are improved after optimization，its sound pressure level near sound field is reduced by 1.87 dB（A）and the sound power level of the engine is reduced by 0.62 dB（A）.It is effective in noise reduction.It is a reference on noise reduction for the same type thin-shell parts.

Diese engine，Oil pan，Noise control，F(xiàn)EM

TK421.6

A

2095-8234（2014）05-0060-07

2014-07-28）

鄧紅喜（1973-），男，工程師，主要從事內(nèi)燃機(jī)性能優(yōu)化、排放研究工作。