淺析CAE分析在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

喻博軒 喻占武

摘 要：結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲開(kāi)發(fā)需求，本文對(duì)CAE技術(shù)展開(kāi)了分析，并對(duì)技術(shù)應(yīng)用原理和方法進(jìn)行了探討。結(jié)合實(shí)例對(duì)CAE技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用，完成發(fā)動(dòng)機(jī)有限元分析模型建立，采用多體動(dòng)力學(xué)分析方法和邊界元法進(jìn)行整機(jī)表面振動(dòng)加速度計(jì)算，得到的結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相吻合，用于噪聲開(kāi)發(fā)能夠取得理想的降噪效果。

關(guān)鍵詞：CAE分析;汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī);振動(dòng)噪聲

1 引言

在汽車(chē)駕駛的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲過(guò)大將造成汽車(chē)噪聲總水平提升，影響汽車(chē)駕駛舒適度。在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)得到逐步提高的背景下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲進(jìn)行開(kāi)發(fā)，需要加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，以便在解決發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射問(wèn)題的同時(shí)，降低開(kāi)發(fā)成本。應(yīng)用CAE展開(kāi)仿真分析，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)分析，提前采取措施改善結(jié)構(gòu)聲品質(zhì)，因此能夠滿(mǎn)足汽車(chē)開(kāi)發(fā)需求。

2 CAE分析技術(shù)概述

CAE為計(jì)算機(jī)輔助工程分析的英文縮寫(xiě)，能夠在計(jì)算機(jī)輔助下完成復(fù)雜工程和產(chǎn)的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化，使工程各環(huán)節(jié)得到有機(jī)組織。應(yīng)用CAE的關(guān)鍵在于對(duì)工程整個(gè)生命周期的信息進(jìn)行集成，利用有限元法、有限差分法等各種數(shù)學(xué)方法完成結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。針對(duì)復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、動(dòng)力響應(yīng)、剛度、多體接觸等力學(xué)性能展開(kāi)分析，應(yīng)用CAE可以采用近似數(shù)值分析方法展開(kāi)計(jì)算，將實(shí)際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，通過(guò)分析離散體得到能夠滿(mǎn)足工程精度的近似結(jié)果，用于代替實(shí)際結(jié)構(gòu)分析，使工程設(shè)計(jì)上無(wú)法解決的問(wèn)題得到解決[1]。而伴隨著CAE技術(shù)的分析發(fā)展，算法和理論都得到了逐步完善，衍生出的CAE軟件有較多種，用于性能分析和模擬需要完成前處理、有限元分析、后處理三個(gè)過(guò)程，完成實(shí)體建模和分析處理，根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求和分析結(jié)果輔助用戶(hù)對(duì)方案的合理性進(jìn)行判斷。

3 CAE分析在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用原理

在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲開(kāi)發(fā)中，應(yīng)用CAE分析能夠在零部件及發(fā)動(dòng)機(jī)整體未制造出來(lái)時(shí)對(duì)各種特性展開(kāi)分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性預(yù)測(cè)。對(duì)于彈性結(jié)構(gòu)來(lái)講，振動(dòng)模態(tài)為結(jié)構(gòu)固有特性，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)各階模態(tài)主要特征，可以對(duì)固定頻段內(nèi)結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行預(yù)知。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后，可以將分析得到的參數(shù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲得到減小。采用CAE分析方法，主要通過(guò)有限元計(jì)算完成數(shù)值模態(tài)分析，能夠利用模態(tài)變換矩陣實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自由度系統(tǒng)解耦，經(jīng)過(guò)系列單自由度系統(tǒng)振動(dòng)線(xiàn)性疊加，能夠完成結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析[2]。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中，噪聲主要來(lái)自于機(jī)械噪聲和燃燒噪聲，需要通過(guò)零部件表面向外輻射。根據(jù)聲學(xué)理論可知，噪聲將在振動(dòng)面積和振動(dòng)速度同時(shí)較大的位置上集中。通過(guò)噪聲測(cè)試和頻譜分析，能夠?qū)υ肼曌畲箢l率范圍進(jìn)行確認(rèn)，然后通過(guò)聲源定位確定輻射噪聲最大的零件。通過(guò)模態(tài)分析，能夠?qū)α悴考诠潭l率下的振型進(jìn)行計(jì)算，確定振動(dòng)面積最大位置，采用加強(qiáng)筋等措施縮小面積或改變頻率，最終達(dá)到降噪目標(biāo)。

3.2 應(yīng)用方法

應(yīng)用CAE對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析的過(guò)程，實(shí)際就是利用相關(guān)軟件完成多自由度系統(tǒng)特征值和特征向量分析的過(guò)程，憑借軟件后處理功能可以實(shí)現(xiàn)振型和固有頻率的動(dòng)態(tài)顯示。發(fā)動(dòng)機(jī)作為復(fù)雜連動(dòng)機(jī)構(gòu)，包含缸體、缸蓋、曲柄連桿系等多個(gè)部件，先要采用多體動(dòng)力學(xué)分析方法完成發(fā)動(dòng)機(jī)各種激勵(lì)計(jì)算，然后采用有限元分析法進(jìn)行整機(jī)表面振動(dòng)加速度計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，需要利用邊界元方法進(jìn)行整機(jī)輻射噪聲計(jì)算。采用整機(jī)振動(dòng)噪聲試驗(yàn)臺(tái)架開(kāi)展試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與軟件仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，能夠確定方法是否具有可行性，能否完成發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的高效分析，為噪聲處理提供依據(jù)。

在多體動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，可以采用EXCITE-PU軟件完成發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)力學(xué)建模，針對(duì)燃燒載荷激勵(lì)，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)將結(jié)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成相應(yīng)模型的構(gòu)建。采用EXCITE-PR，能夠完成活塞動(dòng)力學(xué)建模，提供推力激勵(lì)。采用EXCITE-TD，能夠完成正時(shí)閥系激勵(lì)模型的建立，提供凸輪軸、彈簧落座力、張緊器等零部件激勵(lì)。利用ProE軟件，可以完成發(fā)動(dòng)機(jī)3D模型的建立，利用Hypermesh軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。在模型中，缸蓋、軸承蓋、鑄件支架、缸體等屬于二階四面體，利用殼單元可以進(jìn)行油底殼、沖壓支架的網(wǎng)格劃分，利用質(zhì)量單元可以進(jìn)行增壓器等部件的替代，并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)量的附屬。采用Tie和KINCOUP能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)格建立，各部件附屬相應(yīng)材料屬性，可以得到約70萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量[3]。運(yùn)用建立的各種模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作固定工況進(jìn)行運(yùn)算，使對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)加速度得到恢復(fù)，可以完成加速度分析。采用LMS Virtual.Lab軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)一米噪聲分析模型進(jìn)行建立，能夠運(yùn)用邊界元法獲得噪聲仿真數(shù)據(jù)。開(kāi)展噪聲測(cè)試時(shí)，利用五點(diǎn)法進(jìn)行固定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)各位置噪聲的測(cè)試。與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以完成模型合理性驗(yàn)證。

3.3 應(yīng)用舉例

3.3.1 模型建立

如圖1所示，為某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型，采用邊界元理論可以完成振動(dòng)噪聲聲學(xué)包絡(luò)網(wǎng)格的建立。得到的網(wǎng)格緊貼有限元網(wǎng)格，屬于一階四邊形殼網(wǎng)格，能夠?qū)⒄駝?dòng)傳遞至聲學(xué)保絡(luò)網(wǎng)格上。從聲學(xué)有限元分析角度來(lái)看，結(jié)構(gòu)法線(xiàn)方向上場(chǎng)點(diǎn)聲壓與振動(dòng)速度間存在線(xiàn)性關(guān)系。在小壓力擾動(dòng)條件下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行離散分析，能夠得到某點(diǎn)聲壓p={ATV（w）}{v（w）}，其中ATV指的是聲學(xué)傳遞向量，w則是角頻率，v為法線(xiàn)上的振動(dòng)速度。采用軟件完成曲軸動(dòng)力學(xué)建模分析，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)加速度。作為聲學(xué)輸入端，利用LMS Virtual.Lab軟件能夠得到聲傳遞向量。將其當(dāng)成是傳遞函數(shù)，可以得到聲場(chǎng)中某點(diǎn)聲壓值。

3.3.2 分析結(jié)果

在與五點(diǎn)法試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，需要在聲學(xué)網(wǎng)格外距離發(fā)動(dòng)機(jī)各端面1m位置完成包絡(luò)網(wǎng)格的建立，從中選取排氣側(cè)、氣門(mén)室罩蓋等位置的對(duì)應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聲壓級(jí)分析結(jié)果提取，然后對(duì)各點(diǎn)平均值進(jìn)行計(jì)算。從分析結(jié)果來(lái)看，在4000rpm工況下，模型仿真分析得到的平均聲壓級(jí)為92dB（A），試驗(yàn)值為94dB（A），目標(biāo)值為90dB（A）;在5000rpm工況下，仿真得到的聲壓級(jí)為102dB（A），試驗(yàn)值為105dB（A），目標(biāo)值為98dB（A）;在6000rpm工況下，仿真得到的聲壓級(jí)為103dB（A），試驗(yàn)值為106dB（A），目標(biāo)值為100dB（A）。試驗(yàn)值之所以高出仿真值，主要是因?yàn)橛涉溳喌雀綄傧到y(tǒng)引發(fā)的噪聲未在模型中進(jìn)行考慮。而由于仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均比目標(biāo)值大，因此需要從噪聲源著手實(shí)現(xiàn)降噪處理。

3.3.3 噪聲開(kāi)發(fā)

結(jié)合分析結(jié)果，在噪聲開(kāi)發(fā)方面需要完成發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。實(shí)際操作中，如果更改燃燒室、活塞缸等部位的設(shè)計(jì)，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、排放性能等受到影響，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，成本過(guò)高。因此需要采用排除優(yōu)化激勵(lì)源的方法，在發(fā)動(dòng)機(jī)輻射表面增設(shè)加強(qiáng)筋，促使結(jié)構(gòu)整體剛度得到提高，達(dá)到降低振動(dòng)激勵(lì)的目標(biāo)。采取該種措施，也能提高發(fā)動(dòng)機(jī)固有頻率，促使結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離振動(dòng)頻率段范圍。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)展開(kāi)仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)4000rpm工況下平均聲壓級(jí)降為87dB（A），5000rpm工況聲壓級(jí)降為96dB（A），6000rpm工況下聲壓級(jí)降為98dB（A），獲得了明顯的降噪效果。為對(duì)方法有效性進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，4000rpm工況下發(fā)動(dòng)機(jī)整體平均聲壓級(jí)降低2dB（A），5000rpm工況聲壓級(jí)降低4dB（A），6000rpm工況下聲壓級(jí)降低5dB（A），能夠與模型仿真分析結(jié)果相吻合，因此可以證明模型仿真分析結(jié)果具有可靠性。

4 結(jié)論

綜上所述，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲開(kāi)發(fā)方面，應(yīng)用CAE展開(kāi)分析能夠通過(guò)建模完成結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析，為結(jié)構(gòu)降噪處理提供依據(jù)。從方法驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，模型仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)相吻合，能夠保證分析結(jié)果的合理性，因此也能夠?yàn)樵肼曢_(kāi)發(fā)提供支持。

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