發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的輻射噪聲分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

宋兆哲，楊景玲，孔德芳，張宗成

（1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的輻射噪聲分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

宋兆哲1,2，楊景玲1,2，孔德芳1,2，張宗成1,2

（1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

油底殼表面輻射噪聲占發(fā)動(dòng)機(jī)總輻射噪聲的24%左右，已成為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的重要制約因素。為了降低某油底殼的輻射噪聲，通過(guò)有限元模型，計(jì)算其約束模態(tài)，找出油底殼的薄弱位置；進(jìn)而施加由試驗(yàn)測(cè)得的激勵(lì)，計(jì)算油底殼的表面振動(dòng)加速度。在此基礎(chǔ)上，采用邊界元法對(duì)其進(jìn)行輻射噪聲總聲功率級(jí)的計(jì)算；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)該油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的輻射噪聲水平。通過(guò)優(yōu)化前后的對(duì)比表明：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后約束模態(tài)頻率有很大的提高，振型也有明顯變化，總聲功率級(jí)降低了1.83 dB(A)。

聲學(xué)；模態(tài)計(jì)算；應(yīng)變能；輻射噪聲；邊界元法；

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，油底殼等質(zhì)量輕、剛度小的零件幾乎完全裸露于汽車的底部，由此，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的振動(dòng)就很容易激起此類零件的共振，并可能成為發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲的主要部位；相關(guān)資料表明，油底殼輻射噪聲可以占到總輻射噪聲的24%左右，是最大的表面輻射噪聲源[1,2]。因此，分析發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的輻射噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲分析中不可忽視的部分，對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整車噪聲有著一定的實(shí)際意義。

對(duì)油底殼進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)時(shí)，必須要預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)油底殼的聲學(xué)預(yù)測(cè)常采用兩種方法，一種是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得油底殼上有代表性的測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)；然后進(jìn)行預(yù)測(cè)，稱之為振動(dòng)速度法，該方法廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)部件表面的聲學(xué)預(yù)測(cè)及噪聲源的識(shí)別[3]。另一種是采用計(jì)算機(jī)虛擬試驗(yàn)的方法，即基于有限元和邊界元的預(yù)測(cè)方法[4]；近年來(lái)，該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中[5,6]。在零部件未制造出來(lái)以前，就可以應(yīng)用CAE技術(shù)對(duì)其振動(dòng)、噪聲等特性進(jìn)行分析。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，其分析結(jié)果可以指導(dǎo)我們的設(shè)計(jì)思路，并且對(duì)每一次的設(shè)計(jì)嘗試在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行虛擬預(yù)測(cè)，以求達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。

本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼為例，采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，對(duì)其進(jìn)行約束模態(tài)和聲學(xué)仿真的研究，得到輻射噪聲的總聲功率級(jí)。首先，由試驗(yàn)測(cè)得該發(fā)動(dòng)機(jī)上油底殼各螺栓處的振動(dòng)加速度；然后，采用有限元和邊界元相結(jié)合的仿真分析方法，對(duì)其進(jìn)行約束模態(tài)和聲學(xué)分析；最后，用分析結(jié)果指導(dǎo)的優(yōu)化思路，對(duì)油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其輻射噪聲降到最低。

1 油底殼約束模態(tài)分析

1.1 建立有限元模型

建立準(zhǔn)確可靠的計(jì)算模型，是應(yīng)用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的重要前提。本文采用的油底殼為沖壓鋼板結(jié)構(gòu)，厚度為1.5 mm，首先，用Pro/E軟件建立油底殼的幾何模型，然后，利用Hyper Mesh與Pro/E軟件之間的接口，將建立的油底殼幾何模型導(dǎo)入Hyper Mesh中，在Hyper Mesh中抽取油底殼的中面，對(duì)中面進(jìn)行幾何清理，并采用邊長(zhǎng)為4 mm的四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；由于造成油底殼振動(dòng)的主要原因（或結(jié)構(gòu)）是油底殼的外殼，在有限元分析中將油底殼上表面與機(jī)體連接的螺栓孔全部簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)。其劃分好的有限元模型和螺栓孔節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖1所示，網(wǎng)格單元類型如表1所示，材料參數(shù)如表2所示。

圖1 有限元模型

表1 網(wǎng)格單元類型

表2 材料參數(shù)

1.2 約束模態(tài)分析

為了更準(zhǔn)確的反映油底殼實(shí)際的工作狀態(tài)，對(duì)油底殼采用約束模態(tài)計(jì)算。

油底殼在實(shí)際工作過(guò)程中，是和機(jī)體下表面通過(guò)螺栓連接在一起的，故約束油底殼螺栓處的6個(gè)自由度，進(jìn)行約束模態(tài)計(jì)算。把圖1所示的有限元模型，導(dǎo)入Abaqus軟件中進(jìn)行求解，得到油底殼的前10階模態(tài)。其前10階模態(tài)頻率如表3所示，前4階模態(tài)振型如圖2所示，前4階模態(tài)應(yīng)變能如圖3所示。

表3 油底殼約束模態(tài)頻率

圖2 油底殼前4階模態(tài)振型

發(fā)動(dòng)機(jī)激振的共振范圍可由下式求得[1]

式中f為發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率(Hz)；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/m in）；τ為每個(gè)工作循環(huán)的沖程數(shù)；Z為缸數(shù)；η為安全系數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，為四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，取安全系數(shù)η=1.4，故激振頻率為280 Hz，而由表3可知，該油底殼的第1階模態(tài)頻率為659 Hz，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)避開(kāi)了常用工況下發(fā)生共振的可能。

由圖2可以看出，此油底殼的振型主要是底面的局部振型，原因是底面存在較大面積的平板部分，同時(shí)底面也是離油底殼螺栓安裝面最遠(yuǎn)的面，故易于出現(xiàn)此類振型。所以，要想提高此油底殼的剛度，降低輻射噪聲水平，結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)應(yīng)有意識(shí)的減小底面平板部分的面積[7]。

由圖3可以看出，應(yīng)變能主要集中于圖中圈出的區(qū)域，此區(qū)域也是側(cè)面與底面的過(guò)渡面，要想提高此油底殼的剛度，降低輻射噪聲水平，結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)應(yīng)從這些位置著手。

2 油底殼聲學(xué)仿真分析

2.1 振動(dòng)響應(yīng)分析

為了讓計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，本文所采用的油底殼安裝螺栓處的振動(dòng)加速度載荷來(lái)自試驗(yàn)測(cè)得，共測(cè)得十八個(gè)螺栓處的振動(dòng)加速度載荷，編號(hào)如圖1所示，限于篇幅限制，在此僅列出1、7、13、17等四個(gè)振動(dòng)加速度載荷，頻率范圍為0～3 000 Hz，如圖4所示。

圖3 油底殼前四階應(yīng)變能云圖

把前期的約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)入聲學(xué)計(jì)算軟件LMS Virtual Lab中，再把試驗(yàn)測(cè)得的加速度載荷加載到對(duì)應(yīng)的螺栓處，進(jìn)行基于模態(tài)的頻率響應(yīng)計(jì)算，得出油底殼表面的振動(dòng)加速度，如圖5所示，以此作為聲學(xué)計(jì)算的輸入。

圖4 振動(dòng)加速度載荷

2.2 聲學(xué)計(jì)算

聲學(xué)計(jì)算結(jié)果是對(duì)零部件結(jié)構(gòu)做出NVH評(píng)價(jià)的最終指標(biāo)，在油底殼振動(dòng)響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用邊界元法在聲學(xué)仿真軟件中將計(jì)算出的振動(dòng)加速度邊界條件投射到聲學(xué)網(wǎng)格上，再根據(jù)其傳遞關(guān)系得到模型的聲功率級(jí)等評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖5 表面振動(dòng)加速度

油底殼等薄壁件表面輻射噪聲與表面振動(dòng)之間有如下關(guān)系[1]：

式中Wr為表面輻射聲功率，Wυ為表面振動(dòng)功率，σ為聲輻射效率。

表面振動(dòng)功率計(jì)算如下：

式中ρ0c為空氣的特性阻抗，約為400 rayl;A為振動(dòng)表面面積(m2);υ-2為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均方值的空間平均值(m2/s2)所以

計(jì)算得出的油底殼聲功率級(jí)曲線如圖6所示，其總聲功率級(jí)為108.596 dB(A)。

3 油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化及效果驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6 改進(jìn)前聲功率級(jí)曲線

實(shí)踐表明，增加結(jié)構(gòu)剛度和阻尼是減少表面振動(dòng)的基本措施，在同樣的激振力作用下減小結(jié)構(gòu)表面響應(yīng)就可以使噪聲降低。通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)剛度，減小輻射噪聲表面面積，亦是控制輻射噪聲的有效措施之一[8]。

根據(jù)以上分析結(jié)果，再結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)油底殼做出如下結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)如圖7和8所示。

與圖7相比，圖8主要進(jìn)行了如下更改：

（1）為了減少底面大平面的數(shù)量，底面由左右一層階梯結(jié)構(gòu)改為上下三層階梯結(jié)構(gòu)；

圖7 改進(jìn)前油底殼結(jié)構(gòu)

圖8 改進(jìn)后油底殼結(jié)構(gòu)

（2）為了改變圖3中指出的應(yīng)變能集中，加大了左右兩個(gè)側(cè)面與底面的過(guò)渡圓角；

（3）放油螺栓孔設(shè)計(jì)形式、位置發(fā)生變化；

（4）在右側(cè)過(guò)渡區(qū)域增加了一條加強(qiáng)筋，左側(cè)過(guò)渡區(qū)域的加強(qiáng)筋相應(yīng)加長(zhǎng)，上側(cè)過(guò)渡區(qū)域也增加了一條加強(qiáng)筋，并使此加強(qiáng)筋延伸到油底殼安裝面的根部，可提高油底殼結(jié)構(gòu)整體的剛度。

經(jīng)計(jì)算油底殼結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，其儲(chǔ)油量由原來(lái)的6升，變?yōu)楝F(xiàn)在的6.08升，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)油的需求。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，集濾器所處的液面位置未改變，故對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑性能無(wú)影響。

3.2 模態(tài)對(duì)比分析

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，采用與改進(jìn)前相同的邊界條件和計(jì)算方法進(jìn)行約束模態(tài)計(jì)算，得出其模態(tài)頻率與振型并與改進(jìn)前進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖9和圖10所示。

由圖9和圖10可以看出，通過(guò)加筋和對(duì)底面與側(cè)面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，油底殼在模態(tài)頻率上，有了很大的提高，第1階頻率變?yōu)?47 Hz，提高了43.7%；在振型上，第1階模態(tài)振型面積相應(yīng)減小，比改進(jìn)前少了第2階底面局部振型；可見(jiàn)底面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，符合公式(4)中降低表面輻射噪聲的措施，可使振動(dòng)表面面積減小，能起到抑制底部大平面輻射噪聲的作用。

3.3 聲學(xué)對(duì)比分析

圖9 油底殼改進(jìn)前后模態(tài)頻率對(duì)比

圖10 油底殼改進(jìn)后前4階模態(tài)振型

對(duì)改進(jìn)后的油底殼，采用與改進(jìn)前相同的邊界條件和計(jì)算方法進(jìn)行輻射噪聲計(jì)算，得出其聲功率級(jí)并與改進(jìn)前進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

由圖11可以看出，改進(jìn)后的聲功率級(jí)在大部分頻段都有所降低，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)輻射噪聲起到了很好的抑制作用?？偮暪β始?jí)由原來(lái)的108.596 dB (A)降到106.766 dB(A)，降低了1.83 dB(A)。

圖11 改進(jìn)前后聲功率級(jí)曲線對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)模態(tài)分析，找出油底殼上存在的薄弱區(qū)域，改進(jìn)時(shí)從這些區(qū)域著手；

（2）通過(guò)加筋和對(duì)底面與側(cè)面的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，油底殼在模態(tài)頻率上，有了很大的提高，第二階振型也發(fā)生了變化，大平面的面積減小，起到了降低輻射噪聲的作用；

（3）根據(jù)聲學(xué)計(jì)算結(jié)果可以看出，改進(jìn)后油底殼總聲功率級(jí)由原來(lái)的108.596 dB(A)降到106.766 dB(A)，降低1.83 dB(A)，表明有一定效果。

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Radiation NoiseAnalysis and Structure Optim ization for an Engine Oil Pan

SONG Zhao-zhe,YANG Jing-ling,KONG De-fang,ZHANG Zong-cheng

（1.Technical Center,Great Wall Motor Company Lim ited,Baoding 071000,Hebei China; 2.HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center,Baoding 071000,Hebei China)

The radiated noise from oil pan surface was accounted for about 24%in the total engine,has become an important restrictive factor to reduce engine noise.In order to reduce radiated noise of the oil pan,the finite element model was established,the constraint mode was calculated,and unsubstantial place of oil pan was found;and then,the surface vibratory acceleration of oil pan was obtained by the excitation load from test,and on that basis,the total sound power level was calculated using the BEM method.According to the results,the structural optim ization was done,and the levels of structure radiated noise of the oil pan were predicted.The results were compared with those of the original pan.It is found that after the improvement,the frequency of constraint mode was greatly increased,the modal shape also changes obviously, and the total sound power level was reduced by 1.83 dB(A).

acoustics;modal calculation;strain energy;radiated noise;boundary element method

U464.1

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.028

1006-1355(2014)01-0123-05

2013-02-17

宋兆哲（1982-），男，山東臨沂市沂南縣人，碩士，目前從事發(fā)動(dòng)機(jī)NVH工作。

E-mail:dynvh@gwm.cn