基于形貌優(yōu)化的柴油機(jī)油底殼減振設(shè)計(jì)

陳小兵　楊英慧　陳俊杰（湖南省汽車技師學(xué)院　湖南　邵陽　422000）

基于形貌優(yōu)化的柴油機(jī)油底殼減振設(shè)計(jì)

陳小兵楊英慧陳俊杰
（湖南省汽車技師學(xué)院湖南邵陽422000）

摘要：油底殼的振動(dòng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的主要來源，其振動(dòng)特性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體噪聲性能。通過對(duì)柴油機(jī)油底殼計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)比較分析，驗(yàn)證有限元模型正確性，結(jié)合形貌優(yōu)化分析方法，對(duì)油底殼進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)果表明：優(yōu)化后油底殼1階模態(tài)振幅明顯降低，且振動(dòng)區(qū)域相對(duì)于優(yōu)化前趨于均勻。油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化后頻率明顯提高，其中1階頻率提高幅度最大，提高幅值達(dá)到89 Hz，比例達(dá)到32.2%。優(yōu)化后油底殼剛度有大幅度增加，其中1階增加比例達(dá)到75.6%，9階以及10階增加幅度達(dá)66.6%與57.7%。

關(guān)鍵詞：油底殼形貌優(yōu)化振動(dòng)模態(tài)分析剛度

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車主要的振動(dòng)源和噪聲源之一，其表面振動(dòng)和輻射噪聲不僅向車外輻射噪聲，而且對(duì)車身結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)和輻射噪聲影響也很大，繼而直接影響整車駕乘舒適性能。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)。在發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲中，薄壁構(gòu)件（包括油底殼、缸蓋罩和正時(shí)齒輪室蓋等部件）輻射噪聲占相當(dāng)大的比例，其中油底殼的輻射噪聲約占總輻射噪聲的15%~ 30%。有效控制油底殼的輻射噪聲，對(duì)減小振動(dòng)和降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲水平具有重要意義。

油底殼是由薄板制造而成，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。張俊紅等[1]建立模態(tài)計(jì)算模型，識(shí)別對(duì)油底殼輻射噪聲較大的振動(dòng)頻率，并對(duì)油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得油底殼噪聲有所降低，優(yōu)化后噪聲減小了2.79dB（A）。王奇文[2]結(jié)合有限元和邊界元方法對(duì)油底殼振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過改變油底殼材料對(duì)油底殼設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明；采用復(fù)合阻尼材料在中高頻段有很好的降噪效果。袁兆成等[3]總結(jié)了結(jié)構(gòu)參數(shù)與油底殼振動(dòng)模態(tài)的關(guān)系，為油底殼的低噪聲設(shè)計(jì)提供了有效的模型與數(shù)據(jù)。FEV公司對(duì)油底殼進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，分析了油底殼振動(dòng)規(guī)律，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法對(duì)油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]。都靈理工大學(xué)Delprete等在改變油底殼不同位置材料厚度布置上多次優(yōu)化來提高油底殼的固有頻率，結(jié)合不同的油底殼模型對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[5]。福特汽車公司對(duì)塑料油底殼的NVH特性進(jìn)行了研究，對(duì)新型材料油底殼的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了選擇和思路[6]。

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件基于“CAD設(shè)計(jì)-虛擬樣機(jī)-虛擬試驗(yàn)-模型修改”計(jì)算機(jī)流程的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相比“圖紙?jiān)O(shè)計(jì)-物理樣機(jī)-試驗(yàn)-圖紙修改”的傳統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)周期顯著縮短[7~9]，但現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法模型需要多次嘗試修改，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程附有較大的主觀性。

隨著優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的不斷發(fā)展完善，出現(xiàn)了一些新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要是通過提高某一階固有頻率為目標(biāo)進(jìn)行形貌優(yōu)化，確定加強(qiáng)筋的最優(yōu)分布，從而降低油底殼振動(dòng)噪聲。通過對(duì)柴油機(jī)油底殼有限元模型分析，結(jié)合形貌優(yōu)化分析方法，對(duì)油底殼進(jìn)行改進(jìn)，提高了油底殼的剛度與固有頻率，對(duì)油底殼的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1　形貌優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

形貌優(yōu)化是一種在板形結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強(qiáng)筋分布的概念設(shè)計(jì)的最佳化方法，用于設(shè)計(jì)薄壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化壓痕，以滿足強(qiáng)度、頻率等要求。設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件組成形貌優(yōu)化三要素。設(shè)計(jì)變量是在優(yōu)化過程中發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)；目標(biāo)函數(shù)是要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)性能，是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)的限制，是對(duì)設(shè)計(jì)變量和其他性能的要求[10]。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可以表述為：

最小化：

約束條件：

式中：X=x1，x2，…，xn是設(shè)計(jì)變量；f（X）是目標(biāo)函數(shù)；g（X）是不等式約束函數(shù)；h（X）是等式約束函數(shù)；L為上限，U為下限。目標(biāo)函數(shù)f（X）、約束函數(shù)g（X）與h（X）是從有限元分析中得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。設(shè)計(jì)變量X是一個(gè)矢量，它的選擇依賴于優(yōu)化類型。在形貌優(yōu)化中，設(shè)計(jì)變量為形狀擾動(dòng)的線性組合因子。

2　有限元模型建立

油底殼材料參數(shù)如表1所示。

表1　油底殼材料參數(shù)

油底殼有限元模型采用三邊形殼單元，共有25695個(gè)節(jié)點(diǎn)，25608個(gè)單元，如圖1所示。在每個(gè)螺栓孔處創(chuàng)建一個(gè)REB2，對(duì)應(yīng)的約束施加在相應(yīng)的REB2上。在油底殼的頻率響應(yīng)分析過程中，要盡可能準(zhǔn)確地設(shè)定約束條件，以求仿真結(jié)果正確性。

圖1　油底殼有限元模型

3　有限元結(jié)果分析

油底殼1階約束模態(tài)如圖2所示，從圖中可知，油底殼儲(chǔ)油底部呈現(xiàn)向內(nèi)凹進(jìn)的振型，最大幅值達(dá)到0.9mm；2階約束模態(tài)如圖3所示，油底殼臺(tái)階儲(chǔ)油處呈現(xiàn)向外凸的振型；圖4為油底殼4階約束模態(tài)云圖，整體呈現(xiàn)向機(jī)體主推力面同向的振動(dòng)。

圖2 1階模態(tài)

結(jié)合以上結(jié)果可知，油底殼振動(dòng)主要部位發(fā)生在其底面與壁面位置，因此對(duì)油底殼機(jī)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)從油底殼底面及壁面著手。

圖3 2階模態(tài)

圖4 3階模態(tài)

表2是實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)和計(jì)算模態(tài)頻率對(duì)比，由表可知，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)和計(jì)算模態(tài)頻率值最大誤差為6.9%，表明模型有較好的精度，可以進(jìn)行下一步計(jì)算。

表2　實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)結(jié)果對(duì)比

4　油底殼形貌優(yōu)化結(jié)果

4.1油底殼形貌優(yōu)化

油底殼結(jié)構(gòu)剛度越大，同樣的激振力作用下產(chǎn)生的振幅越小，噪聲越低。提高系統(tǒng)的靜剛度是提高系統(tǒng)動(dòng)剛度的一種方法。要提高系統(tǒng)的靜剛度，通常采用局部加筋的方法來實(shí)現(xiàn)。形貌優(yōu)化方法可在板型結(jié)構(gòu)中快速確定加強(qiáng)筋的最佳布局，在減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時(shí)滿足強(qiáng)度和頻率等要求。

形貌優(yōu)化是對(duì)結(jié)構(gòu)的某個(gè)目標(biāo)函數(shù)，如頻率、質(zhì)量和體積等物理量進(jìn)行最優(yōu)化的求解。由于要提高結(jié)構(gòu)剛度，因此文中選擇固有模態(tài)頻率為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。把模態(tài)頻率最大化設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，定義翻邊以外的側(cè)面和底面部分為設(shè)計(jì)區(qū)域，最小筋寬設(shè)為15 mm，起筋角度60°。最大起筋高度12mm，并且設(shè)定筋的分布相對(duì)于結(jié)構(gòu)中間面對(duì)稱。

圖5為油底殼底部作為優(yōu)化區(qū)域，優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，最終得到優(yōu)化前后模型如圖7所示。

圖5　油底殼優(yōu)化區(qū)域

圖6優(yōu)化結(jié)果

a）優(yōu)化前模型

圖7　優(yōu)化前后油底殼結(jié)構(gòu)對(duì)比

4.2優(yōu)化結(jié)果分析

油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各階振型云圖如圖8～10所示。由圖8可知，優(yōu)化后油底殼1階模態(tài)振幅明顯降低，且振動(dòng)區(qū)域相對(duì)優(yōu)化前趨于均勻。圖9、10中油底殼振動(dòng)均為油底殼壁面，且振動(dòng)方向相反。比較優(yōu)化前后模態(tài)云圖可知，油底殼底部振幅區(qū)域減小，底部2階模態(tài)振動(dòng)最大位置由原來底部轉(zhuǎn)為油底殼壁面，且振動(dòng)幅值大幅度減小。

圖8 1階模態(tài)

圖9 2階模態(tài)

圖10 3階模態(tài)

油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后各階振型頻率對(duì)比如表3和圖11、12所示。由表3和圖11可知，油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化后頻率明顯增加，其中1階頻率增加幅度最大，增加幅值達(dá)到89Hz，比例達(dá)到32.2%。說明優(yōu)化后對(duì)提高油底殼固有頻率有顯著作用。

表3油底殼優(yōu)化前后頻率比較

圖11　優(yōu)化前后油底殼頻率對(duì)比

圖12　優(yōu)化前后油底殼頻率增加比例

結(jié)合圖12可知，油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)前10階頻率中3階與7階影響較小，對(duì)其它階影響卻較大。

油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后剛度對(duì)比如表4所示。由表4可知，優(yōu)化后油底殼剛度有大幅度增加，結(jié)合表2，剛度增加較大階次與頻率增加階次相對(duì)應(yīng)，其中1階增加比例達(dá)到75.6%，9階以及10階增加剛度達(dá)到66.6%與57.7%。

5　結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有柴油機(jī)油底殼約束模態(tài)，并對(duì)現(xiàn)有柴油機(jī)油底殼進(jìn)行了形貌優(yōu)化，對(duì)比了優(yōu)化前后油底殼頻率及剛度變化。結(jié)論如下：

1）油底殼儲(chǔ)油底部呈現(xiàn)向內(nèi)凹進(jìn)的振型，最大幅值達(dá)到0.9 mm；2階約束模態(tài)油底殼臺(tái)階儲(chǔ)油處呈現(xiàn)向外凸的振型；油底殼4階約束模態(tài)整體呈現(xiàn)向機(jī)體主推力面同向的振動(dòng)。

2）優(yōu)化后油底殼1階模態(tài)振型振幅明顯降低，且振動(dòng)區(qū)域相對(duì)優(yōu)化前均勻。油底殼2、3階振動(dòng)均為油底殼壁面，且振動(dòng)方向相反。比較優(yōu)化前后模態(tài)，油底殼底部振幅區(qū)域減小，底部2階模態(tài)振動(dòng)最大位置由原來底部轉(zhuǎn)為油底殼壁面，且振動(dòng)幅值大幅度減小。

3）油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化后頻率明顯提高，其中1階頻率提高幅度最大，提高幅值達(dá)到89 Hz，比例達(dá)到32.2%。說明優(yōu)化后對(duì)提高油底殼固有頻率有顯著作用。油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)前10階頻率中3階與7階影響較小，對(duì)其它階影響卻較大。

4）優(yōu)化后油底殼剛度有大幅度提高，結(jié)合表2，剛度提高較大階次與頻率提高階次相對(duì)應(yīng)，其中1階提高比例達(dá)到75.6%，9階以及10階提高剛度達(dá)到66.6%與57.7%。

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中圖分類號(hào)：TK422

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）02-0074-05

收稿日期：（2015-01-22）

作者簡(jiǎn)介：陳小兵（1979-），男，講師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷。

A Design of Low-Vibration Diesel Engine Oil-Pan Based on Topography Optim ization

Chen Xiaobing，Yang Yinghui，Chen Jun jie
Hunan Automotive Technician College（Shaoyang，Hunan，422000，China）

Abstract：The vibration of the oil pan,which is regarded as themain source of engine noise，directly impacts on engine noise performance.In this paper,the correctness of the finite elementmodel has been verified by comparing the computingmodalwith experimentalmodal.The oil pan structure was improved based on the topography optimization.The results show that the first modal vibration amplitude was significantly reduced,and the vibration area is relative equally distributed.The vibration frequency of oil pan was significantly increased after optimizing the structure.The increased amplitude of firstmodal frequency is the sharpest，which has reached to 89Hzand the ratio reached to 32.2%.Afteroptimizing the structure，the stiffness of oil pan was increased.The first order stiffness increase 75.6%，and the ninth，tenth order increase66.6%and 57.7%respectively. Keywords：Oilpan，Topography optimization，Vibration，Modalanalysis，Stiffness