利用DOE優(yōu)化消音器聲學(xué)結(jié)構(gòu)

周維,許亞峰

(華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成綜合技術(shù)處，遼寧沈陽 110104)

0 引言

長(zhǎng)久以來在消音器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法是在多種設(shè)計(jì)方案中進(jìn)行比較分析，或者是針對(duì)一套方案的某一結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。這樣不僅無法找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，也受制于工程師的經(jīng)驗(yàn)，而且增加了開發(fā)成本?，F(xiàn)代DOE(Design of Experiment)是一門以應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助建模為基礎(chǔ)的“基礎(chǔ)模型優(yōu)化”的前沿科學(xué)，它通過科學(xué)地安排實(shí)驗(yàn)方案，正確地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，盡快獲得最優(yōu)方案[1]。

作者將DOE方法引入到消音器設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，應(yīng)用GT-Power建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)和聲學(xué)分析模型，利用DOE設(shè)計(jì)消音器聲學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，迅速找出獨(dú)立變量和相關(guān)變量的關(guān)系，確定最優(yōu)的消聲結(jié)構(gòu)，大大縮短優(yōu)化時(shí)間[2]。

1 原始消音器結(jié)構(gòu)及存在的問題

在初始設(shè)計(jì)中，原排氣系統(tǒng)中、后消音器模型分別如圖1、圖2所示。通過整車測(cè)試，測(cè)得的排氣系統(tǒng)聲學(xué)特性與仿真結(jié)果對(duì)比如圖3—5所示。

圖1 中消音器結(jié)構(gòu)

圖2 后消音器結(jié)構(gòu)

圖3 尾口噪聲測(cè)試結(jié)果

圖4 尾口噪聲計(jì)算結(jié)果

圖5 排氣背壓計(jì)算結(jié)果(kPa)

從圖3、圖4可以看出:在3 000 r/min內(nèi)尾管總聲壓級(jí)、2階及4階仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試有很高的吻合度，特別是4階1 600～2 100 r/min范圍內(nèi)超出目標(biāo)線的峰值也可以從仿真中體現(xiàn)出來;6階、8階與實(shí)測(cè)值差異較大，原因在于軟件基于一維平面波理論開發(fā)、對(duì)于一些高頻噪聲計(jì)算有理論缺陷，搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)模型及排氣系統(tǒng)有幾何誤差。因此次測(cè)試的問題點(diǎn)已經(jīng)從仿真中體現(xiàn)出來，所以這里也就不再對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定[3-4]。此次測(cè)試的冷端背壓為20 kPa，通過對(duì)模型的標(biāo)定使背壓的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合，作為后續(xù)優(yōu)化方案的對(duì)標(biāo)模型來確保背壓在控制范圍內(nèi)。

針對(duì)4階噪聲超出目標(biāo)線的峰值，計(jì)劃在原方案的基礎(chǔ)上，采用模擬計(jì)算結(jié)合DOE的方法，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足NVH性能要求。

2 基于DOE的消音器參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1 排氣系統(tǒng)調(diào)音的變量

決定排氣系統(tǒng)聲學(xué)優(yōu)劣主要有以下幾個(gè)方面：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與標(biāo)定。氣缸個(gè)數(shù)、排量、氣門升程曲線，排氣溫度、缸壓、點(diǎn)火時(shí)刻影響聲源的強(qiáng)度。

(2)Y-形管長(zhǎng)度。V型發(fā)動(dòng)機(jī)不同的Y-形管長(zhǎng)度決定半階次和點(diǎn)火階次的等級(jí)。

(3)消音器和催化轉(zhuǎn)化器的容積。消音器和催化器的總?cè)莘e是決定排氣系統(tǒng)插入損失最關(guān)鍵的因素。

(4)消音器的位置和數(shù)量。幾個(gè)小容積的消音器要比一個(gè)相同容積的消音器更好，因?yàn)橄羝鬟B接管路更短，產(chǎn)生駐波的概率降低。

(5)消音器內(nèi)部設(shè)計(jì)。在以上條件的限制下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)決定哪些頻率被削弱或者通過，這也是調(diào)音最后的機(jī)會(huì)。

作者從以往項(xiàng)目經(jīng)歷以及相關(guān)聲學(xué)理論中總結(jié)以下優(yōu)化方向:(1)消音器容積增大可以提高中、低頻消聲性能；(2)排氣系統(tǒng)管道(消音器內(nèi)以及連接管、尾管等)可以提高中、低頻消聲性能；(3)合理的赫爾姆茲共振腔參數(shù)可以提高中、低頻消聲性能；(4)赫爾姆茲共振腔壁上打幾個(gè)小孔，可以提高中、低頻(非共振腔消聲頻率)消聲性能；(5)排氣管道中增加堵頭時(shí)，可以提高中、低頻消聲性能；(6)尾管長(zhǎng)度和走向影響中、低頻噪聲；(7)吸音材料的填充可以提高中、高頻消聲性能；(8)雙尾管可以提高中、高頻消聲性能；(9)部分穿孔消音器的消聲頻率隨穿孔率增大而增大。

2.2 中、后消音設(shè)計(jì)方案

此套排氣系統(tǒng)中消音器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只起到輔助消聲作用，因此中消音器結(jié)構(gòu)保持不變，只對(duì)后消音器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

在后消音器中，依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選取L、D1、D2為可變參數(shù)，如圖6所示，可變參數(shù)變化范圍見表1。

圖6 后消音器結(jié)構(gòu)

表1 可變參數(shù)范圍 mm

根據(jù)DOE設(shè)計(jì)原則，取各因素最高、最低水平共進(jìn)行了27次試驗(yàn)，布點(diǎn)方式如表2所示。在GT-Power軟件的DOE模塊中可一次完成所有試驗(yàn)的仿真。

表2試驗(yàn)組合方案

2.3 GT-Power計(jì)算結(jié)果

DOE的計(jì)算是針對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)速下不同因素組合的計(jì)算結(jié)果，這里作者選擇問題轉(zhuǎn)速2 000 r/min的計(jì)算結(jié)果。從圖7、圖8中可以看出D1=51 mm、D2=45 mm、L=70 mm時(shí)4階聲壓級(jí)最低，是此次計(jì)算的最優(yōu)方案。針對(duì)該方案作者單獨(dú)做一次全轉(zhuǎn)速下噪聲水平(見圖9)，同時(shí)采用定常流分析法預(yù)測(cè)管徑變細(xì)帶來的壓力損失，冷端背壓預(yù)計(jì)升高為22 kPa[5]。

圖10為消音器幾何參數(shù)D1、D2、L以及它們的二次項(xiàng)和交互項(xiàng)對(duì)消聲量的影響，其中D1對(duì)結(jié)果影響較小，在后期優(yōu)化過程中可忽略D1。

圖7 L與D1因數(shù)2 000 r/min下4階噪聲

圖9 尾管噪聲計(jì)算結(jié)果

圖10 消音器參數(shù)主效應(yīng)圖(2 000 r/min)

3 整車測(cè)試結(jié)果

優(yōu)化方案搭載整車測(cè)試，測(cè)試條件為3擋-WOT，距離尾口500 mm(45°)，測(cè)試結(jié)果如圖11所示，所有曲線均在目標(biāo)值以下，其中全階、二階、四階的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果也比較吻合，證明了該發(fā)動(dòng)機(jī)模型和優(yōu)化方法在排氣噪聲開發(fā)過程中有足夠的精度和可操作性。

圖11 尾管噪聲測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

(1)仿真結(jié)果的問題重現(xiàn)，是解決實(shí)際問題的前提，在關(guān)鍵問題點(diǎn)和聲學(xué)趨勢(shì)上如果與實(shí)際問題吻合便可以確定優(yōu)化方向及聲學(xué)方案篩選。

(2)排氣系統(tǒng)背壓測(cè)試在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行，噪聲測(cè)試在整車上完成，以實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來看，兩者的冷端入口溫度有很大差異，所以文中背壓計(jì)算采用定常流分析法[5]，輸入臺(tái)架實(shí)測(cè)溫度和流量，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度極高。

(3)DOE設(shè)計(jì)方法雖然可以一次完成所有計(jì)算，但也存在計(jì)算量過大、周期較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，后期可根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定各參數(shù)貢獻(xiàn)量，提高優(yōu)化效率。

參考文獻(xiàn):

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