基于流固耦合的油底殼輻射噪聲研究

華曉波 劉耀東 黃鵬程 陳凱

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

基于流固耦合的油底殼輻射噪聲研究

華曉波 劉耀東 黃鵬程 陳凱

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

為研究機(jī)油和油底殼之間的相互影響，基于Abaqus建立流固耦合模態(tài)分析模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。結(jié)合實(shí)測激勵(lì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，得到油底殼表面加速度響應(yīng)。利用邊界元方法，進(jìn)行油底殼外部聲場計(jì)算。結(jié)合油底殼模態(tài)振型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的油底殼總輸出聲功率級(jí)降低了2.6 dB（A）。該方法為油底殼的輻射噪聲計(jì)算及減振降噪提供指導(dǎo)。

1 前言

目前，油底殼的噪聲評(píng)估主要有兩種方法。一種是振動(dòng)速度法[1]，即通過試驗(yàn)測得油底殼上典型位置的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測評(píng)估。另一種是采用虛擬仿真的方法，即基于有限元、邊界元模擬的預(yù)測評(píng)估[2]。本文主要介紹依據(jù)第2種方法進(jìn)行的油底殼聲場計(jì)算和優(yōu)化。

在計(jì)算油底殼振動(dòng)時(shí)，需要考慮機(jī)油對(duì)油底殼動(dòng)態(tài)特性造成的影響[3]。目前，主要有3種方法來模擬機(jī)油對(duì)油底殼振動(dòng)的影響。一是通過求解流體域的附加質(zhì)量，疊加到結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣中進(jìn)行計(jì)算，稱為附加質(zhì)量法[4]。二是考慮機(jī)油的阻尼特性，通過修改結(jié)構(gòu)的阻尼達(dá)到相應(yīng)效果，稱為阻尼修正法[5]，但該方法無法體現(xiàn)油底殼裝油狀態(tài)下的模態(tài)特征。三是采用流固耦合的方法，通過求解耦合的結(jié)構(gòu)流體方程獲得油底殼流固耦合振動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)考慮了附加質(zhì)量和阻尼的影響，可以保證較高的精度[6]。

本文以某1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼為例，利用流固耦合的分析方法計(jì)算油底殼模態(tài)，并結(jié)合油底殼輻射聲場及模態(tài)特征，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

2 流固耦合與邊界元理論

2.1 流固耦合理論

在油底殼與機(jī)油組成的流固界面上，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)油產(chǎn)生流體負(fù)載，而受到擾動(dòng)的機(jī)油同樣會(huì)對(duì)油底殼產(chǎn)生一個(gè)附加壓力。因此在分析該類問題時(shí)，必須同時(shí)計(jì)算流體域的波動(dòng)方程和固體域的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，其分別為：

式中，Mf為流體質(zhì)量矩陣；Cf為流體阻尼矩陣；Kf為流體剛度矩陣；P為節(jié)點(diǎn)聲壓；u為節(jié)點(diǎn)位移向量；ρ為流體密度；Q為流固界面上的耦合矩陣；Ms為固體質(zhì)量矩陣；Cs為固體阻尼矩陣；Ks為固體剛度矩陣；Fs為作用于固體上的已知外力；Ff為流體作用于流固界面上的耦合作用力，其中[Ff]=QP。

綜合式（1）、式（2）得到流固耦合方程：

2.2 邊界元理論

由Helmholtz積分公式可以計(jì)算得到任意結(jié)構(gòu)在外部聲場D中任意點(diǎn)E的穩(wěn)態(tài)輻射聲壓p(r)：

3 有限元模型與分析方法

該發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼采用組合式結(jié)構(gòu)，分為上油底殼和下油底殼兩部分。其中，上油底殼材料為鋁，下油底殼材料為低碳鋼板，上下油底殼的剛度差異很大，油底殼的各階模態(tài)振型主要表現(xiàn)在下油底殼。因此，仿真只需要針對(duì)下油底殼進(jìn)行。

建模時(shí)，下油底殼采用殼單元STRI65。上下油底殼之間的螺栓連接用剛性單元模擬，其主節(jié)點(diǎn)用于施加約束和激勵(lì)。機(jī)油采用聲學(xué)單元AC3D10，在空氣側(cè)表面設(shè)置聲壓為0的邊界條件。

材料參數(shù)見表1，其中機(jī)油材料為SAE5W30，在ABAQUS中通過密度和體積模量來定義。ABAQUS求解動(dòng)態(tài)響應(yīng)采用基于直接解法的穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)分析方法。

表1 材料參數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 模態(tài)對(duì)比與驗(yàn)證

通過錘擊法試驗(yàn)，分別測得該1.0T發(fā)動(dòng)機(jī)下油底殼前、左、右、下4個(gè)側(cè)面（齒輪室側(cè)為前，進(jìn)氣側(cè)為左，排氣側(cè)為右）的前兩階頻率。試驗(yàn)完成后，倒出全部機(jī)油，經(jīng)測量為3 150 mL。

在耦合有限元模型中建立同樣體積的機(jī)油，利用ABAQUS軟件計(jì)算得到油底殼加入機(jī)油后的模態(tài)結(jié)果。通過觀察每階的模態(tài)振型，找到對(duì)應(yīng)油底殼側(cè)面的前兩階頻率，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表2。最大誤差不超過5%，說明建立的有限元模型和分析方法具有足夠的精度用于工程計(jì)算。

表2 油底殼試驗(yàn)與有限元計(jì)算頻率對(duì)比

表3為通過有限元方法計(jì)算得到的不同機(jī)油量下的油底殼前4階頻率對(duì)比。650 mL機(jī)油時(shí)，1階頻率為214 Hz，比無機(jī)油油底殼降低了32.1%。3150 mL機(jī)油時(shí)，1階頻率為139 Hz，降低了55.9%。該頻率小于發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)的點(diǎn)火主諧次頻率150 Hz，容易發(fā)生共振，從而導(dǎo)致噪聲水平明顯提升?？梢姡瑱C(jī)油對(duì)于油底殼頻率的影響非常顯著。

表3 不同機(jī)油量下的油底殼頻率對(duì)比 Hz

4.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析結(jié)果對(duì)比

模態(tài)是零件的固有屬性，零件的響應(yīng)卻與激勵(lì)相關(guān)。因此，要預(yù)測零件的輻射噪聲，需要獲得準(zhǔn)確的激勵(lì)。目前，主要有3種激勵(lì)處理方式。一是通過經(jīng)驗(yàn)公式，在激勵(lì)點(diǎn)施加標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)，計(jì)算油底殼表面振動(dòng)響應(yīng)[7]；二是通過動(dòng)力學(xué)軟件，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程，獲得激勵(lì)點(diǎn)激勵(lì)[8]；三是在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中，測量連接螺栓位置的加速度信號(hào)，作為激勵(lì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，不僅受到曲軸、連桿、活塞、凸輪軸、鏈條等工作載荷的作用，還受到支座剛度、臺(tái)架等外界因素的影響，而通過經(jīng)驗(yàn)公式和動(dòng)力學(xué)仿真獲得的激勵(lì)，都無法完全表征油底殼實(shí)際工作狀態(tài)。為了綜合這些影響因素，采用實(shí)際測量的加速度信號(hào)作為激勵(lì)，用于計(jì)算油底殼振動(dòng)響應(yīng)。為了減少計(jì)算工作量，反映整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的油底殼輻射噪聲水平，測量發(fā)動(dòng)機(jī)在全油門下各轉(zhuǎn)速的加速度信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，保留每個(gè)頻率下的最大值，作為油底殼振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算的激勵(lì)。處理后得到的激勵(lì)外包絡(luò)曲線如圖1所示。在90 Hz、700 Hz、1 600 Hz附近，加速度激勵(lì)出現(xiàn)峰值。圖2所示為不同機(jī)油量油底殼通過計(jì)算得到的在各階頻率下的最大加速度響應(yīng)。隨著機(jī)油量的增加，低階響應(yīng)變得愈加強(qiáng)烈。

圖1 螺栓位置加速度激勵(lì)

圖2 油底殼最大加速度響應(yīng)

4.3 結(jié)構(gòu)輻射聲功率級(jí)結(jié)果與討論

4.3.1 輻射聲功率級(jí)結(jié)果對(duì)比

油底殼安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體下部，其內(nèi)部聲場被機(jī)體封閉，因此計(jì)算輻射噪聲時(shí)，只需要考慮油底殼指向外部空氣側(cè)振動(dòng)的影響。因此，采用直接邊界元法計(jì)算油底殼的外部聲場。根據(jù)油底殼表面加速度響應(yīng)，計(jì)算0～2 000 Hz范圍內(nèi)的油底殼外部聲場，得到油底殼的輸出聲功率級(jí)頻譜，并進(jìn)行A計(jì)權(quán)，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，當(dāng)無機(jī)油影響時(shí)，最大輸出聲功率級(jí)為86.3 dB（A），此時(shí)的頻率為810 Hz；650 mL機(jī)油時(shí)，最大輸出聲功率級(jí)為87.10 dB（A），頻率為788 Hz；3 150 mL機(jī)油時(shí)，最大輸出聲功率級(jí)84.4 dB（A），頻率822 Hz。優(yōu)化油底殼主要是把油底殼的各階頻率從激勵(lì)頻率峰值附近移開，降低共振造成的影響。

圖3 油底殼輸出聲功率級(jí)

為了綜合比較整個(gè)頻率范圍內(nèi)的噪聲水平，計(jì)算0～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)的總聲功率級(jí)和總輻射效率，見表4。隨著機(jī)油量的增加，油底殼的總輸入聲功率級(jí)和總輸出聲功率級(jí)都有所提升。其中，3 150 mL機(jī)油比無機(jī)油油底殼分別提高4.77 dB（A）和2.24 dB（A）。而油底殼的總輻射效率由于機(jī)油的阻尼效應(yīng)，隨著機(jī)油量的增加則相應(yīng)降低，3 150 mL機(jī)油時(shí)達(dá)到88.57%，比無機(jī)油工況降低了1.77%。

表4 總聲功率級(jí)和總輻射效率對(duì)比

4.3.2 基于聲功率級(jí)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于油底殼的正常機(jī)油含量總是大于或接近3 000 mL，且在較多油量時(shí)對(duì)應(yīng)的輻射聲功率級(jí)也較大。所以優(yōu)化主要針對(duì)3 150 mL機(jī)油量流固耦合模型進(jìn)行。根據(jù)圖3找到峰值響應(yīng)對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型。優(yōu)化主要依據(jù)這幾階模態(tài)振型結(jié)果對(duì)局部進(jìn)行加強(qiáng)。通過改變設(shè)計(jì)，在縱向形成兩段式結(jié)構(gòu)，周向形成盡可能多的褶皺，底面增加發(fā)射狀的加強(qiáng)筋，從而提升局部剛度，并消除較大面積的輻射平面。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后油底殼模型

優(yōu)化前后的油底殼輸出聲功率級(jí)對(duì)比如圖5所示。優(yōu)化后的最大聲功率級(jí)為84.1 dB（A），與優(yōu)化前相當(dāng)；而在1 000～1 500 Hz頻率范圍內(nèi)降低較為明顯。

圖5 優(yōu)化前后油底殼輸出聲功率級(jí)對(duì)比

總的輸出聲功率級(jí)結(jié)果見表5?？芍?，3 150 mL機(jī)油狀態(tài)下，優(yōu)化后油底殼的總輸出聲功率級(jí)降低了2.6 dB（A），而總的輻射效率基本不變。說明優(yōu)化后的油底殼在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，輻射噪聲減小，并且在單個(gè)頻率點(diǎn)的輻射聲功率級(jí)水平不變。

表5 優(yōu)化前后油底殼總聲功率級(jí)對(duì)比

4.3.3 新材料對(duì)輻射聲功率級(jí)的影響

降低油底殼的輻射噪聲，除了對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)外，新材料和新技術(shù)的應(yīng)用也能起到良好的降噪效果。目前，采用較多的是塑料油底殼及復(fù)合阻尼板結(jié)構(gòu)[9]，其都能明顯提高油底殼的阻尼損耗因子，對(duì)于塑料油底殼，其值一般大于0.2，而復(fù)合阻尼板結(jié)構(gòu)阻尼增大效果更加顯著，能達(dá)到0.3以上。

現(xiàn)有油底殼、塑料油底殼及復(fù)合阻尼板結(jié)構(gòu)油底殼的輻射聲功率級(jí)結(jié)果見表6。采用塑料油底殼和復(fù)合阻尼板結(jié)構(gòu)油底殼，都能夠明顯降低總輸入和總輸出聲功率級(jí)。其中，塑料油底殼的總輸入和總輸出聲功率級(jí)降低了9.78 dB（A）和12.49 dB（A），并且總輻射效率達(dá)到85.01%，比沖壓鋼板油底殼降低了3.56%。復(fù)合阻尼板結(jié)構(gòu)油底殼的輻射噪聲水平雖然降低比較明顯，但其總輻射效率與沖壓鋼板油底殼相當(dāng)，都為88.5%左右。

表6 不同材料油底殼總聲功率級(jí)對(duì)比

5 結(jié)束語

a.采用流固耦合有限元模型得到的模態(tài)結(jié)果與試驗(yàn)誤差小于5%，能夠準(zhǔn)確反映油底殼的模態(tài)特征。且隨著機(jī)油量的增加，1階頻率下降明顯，小于發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速內(nèi)的點(diǎn)火主諧次頻率。

b.隨著機(jī)油量的增加，油底殼的總輸入和總輸出聲功率級(jí)都明顯提升。其中，3 150 mL機(jī)油比無機(jī)油油底殼分別提高了4.77 dB（A）和2.24 dB（A）。

c.根據(jù)流固耦合分析得到的結(jié)果，找到峰值響應(yīng)對(duì)應(yīng)的頻率，進(jìn)一步確定對(duì)噪聲影響較大的區(qū)域。優(yōu)化該區(qū)域的輻射平面，可使得油底殼總輸出聲功率級(jí)降低2.6 dB（A）。

d. 采用塑料油底殼、復(fù)合阻尼板結(jié)構(gòu)油底殼，可有效抑制響應(yīng)峰值，油底殼總輸出聲功率級(jí)降低超過10 dB（A）。

1 岳東鵬,郝志勇,劉月輝,等.柴油機(jī)表面噪聲源識(shí)別的試驗(yàn)研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,40（6）:150～154.

2 王奇文,郝志勇,李一民,等.基于FEM和BEM的低噪聲油底殼設(shè)計(jì)的研究.汽車工程,2013,35（4）:364～368.

3 馮威,袁兆成,劉偉哲.用液固耦合方法研究柴油機(jī)油底殼輻射聲場.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2005,23（6）:536～540.

4 張文鵬,宗智.分析水中結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的三維附加質(zhì)量矩陣法.中國艦船研究,2011,6（4）:13～18.

5 Eberhardt Privitzer.Oil Pan Design Improvements Based on Finite Element Modal Analysis Results.SAE Paper 951122,1995.

6 Esmailzadeh M,Lakis A A,Thomas M,et al.Three-Dimensional Modeling of Curved Structures Containing and/or Submerged in Fluid.Finite Elements in Analysis and Design,2008,44:334～345.

7 鄧曉龍,張宗杰,劉少彥.FEM/BEM方法預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼噪聲輻射.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,31（5）:80～82.

8 余波,祝楊.發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼分析與優(yōu)化.汽車技術(shù),2009（12）:61～67.

9 Rafat Ali.Finite Element Study of a Composite Material Sump Pan of an I.C.Engine.SAE Paper 950942,1995.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年9月1日。

Research on Oil Pan Radiative Noise Based on Coupled Fluid-Structure Modal

Hua Xiaobo,Liu Yaodong,Huang Pengcheng,Chen Kai
（Pan Asia Technical Automotive Center,Shanghai 201201）

In order to study the interactive impact between oil pan and oil,the coupled modal analysis model was built based on Abaqus with coupled fluid-structure modal,and its accuracy was verified by experiments.The measured excitation was used to make dynamic response analysis for calculating oil pan surface acceleration response.And the exterior acoustic field was calculated by the BEM(Boundary Element Method).Optimization was made according to modal shape,and the overall Sound Power Level(SPL)of the optimized oil pan was decreased by 2.6 dB（A）.This method may provide some guidance for the oil pan noise radiation calculation and reduction.

Oil pan,Radiative noise,Coupled fluid-structure

油底殼 輻射噪聲 流固耦合

U464.1

A

1000-3703（2017）06-0049-04