基于Virtual Lab仿真分析某項(xiàng)目進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化

王志強(qiáng)，代曉旭，周 維

（華晨汽車工程研究院 動力總成綜合技術(shù)處，遼寧 沈陽 110141）

前言

在進(jìn)氣系統(tǒng)最初前期開發(fā)階段，聲學(xué)仿真分析是設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要依據(jù)之一。項(xiàng)目開發(fā)初期，NVH工程師會根據(jù)項(xiàng)目需求提出進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失[1]要求，一般系統(tǒng)整體要求≥20 dB。傳遞損失直接影響著進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲能力和進(jìn)氣口噪聲性能，從而影響著駕駛室噪聲水平和整車通過噪聲，傳遞損失在前期無法通過樣件進(jìn)行臺架驗(yàn)證的前提下，我們可以通過傳遞損失仿真分析去計(jì)算進(jìn)氣系統(tǒng)消聲能力。

故根據(jù)發(fā)動機(jī)不同，對傳遞損失側(cè)重不同，本文主要對某1.5T增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失進(jìn)行分析優(yōu)化，由于增壓機(jī)型噪聲多集中在中高頻，股本文主要對中高頻進(jìn)行優(yōu)化，即中高頻傳遞損失要求≥20 dB。

1 基態(tài)仿真分析

1.1 基態(tài)

在進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)初期，根據(jù)機(jī)艙空間分布進(jìn)行初版方案布置，并根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)預(yù)留一定空間用來增加消聲元件布置，一般預(yù)留0.8 L～1.5 L左右，保證后續(xù)NVH調(diào)音正常進(jìn)行。

1.2 基態(tài)網(wǎng)格劃分&邊界屬性

通過hyper Mesh軟件對基態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為2 mm，2D網(wǎng)格類型為三角形，共計(jì)378 328個網(wǎng)格。3D網(wǎng)格類型為四面體，共計(jì)2 655 136，如圖1所示：

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)基態(tài)模型

設(shè)置仿真參數(shù)及邊界條件，其中，影響聲學(xué)性能的參數(shù)主要有濾芯的流阻率[2]、孔隙率、結(jié)構(gòu)因子等，具體數(shù)值見表1，聲學(xué)入口設(shè)置為Circular Specific Duct Modes，出口設(shè)置為Automatically Matched Layer Property。

表1 空氣濾芯參數(shù)

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)3D網(wǎng)格基態(tài)模型

1.3 基態(tài)仿真

通過Virtual lab軟件對某項(xiàng)目進(jìn)氣系統(tǒng)基態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

以20 dB為目標(biāo)，頻率2 000 Hz以上，整體傳損效果一般；500～2 000 Hz頻帶內(nèi)，平均傳遞損失約為14 dB，且存在多個低點(diǎn)，傳遞損失過低，不滿足前期開發(fā)要求。

2 消聲器選擇

消聲器選擇規(guī)則：根據(jù)消聲特點(diǎn)，消聲器總體可分為阻性消聲器、抗性消聲器以及阻抗復(fù)合型消聲器[3]。針對整車進(jìn)氣系統(tǒng)而言，選擇首先考慮聲學(xué)性能好、傳遞損失大、空氣動力學(xué)好、阻力損失小的優(yōu)點(diǎn)，又要考慮布置空間和成本優(yōu)勢以及后續(xù)維護(hù)事宜。綜合考量之后選擇抗性消聲器，另外根據(jù)抗性消聲器各傳遞損失特點(diǎn)以及成本優(yōu)勢問題，選擇其中的共振腔消聲器作為第一選擇。

根據(jù)系統(tǒng)基態(tài)仿真結(jié)果可知預(yù)解決的中心頻率知在500～2 600 Hz之間共有七個波谷（低點(diǎn)），故暫時預(yù)計(jì)需要七個腔體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化及仿真分析

3.1 多孔消聲器一維計(jì)算

鑒于分析結(jié)果，應(yīng)用一維共振腔消聲器傳遞損失計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：c：聲速340 m/s；ρ：空氣密度1.225 kg/m3；Scond：管路截面積m2；s：孔截面積；n：孔數(shù)；l：管路壁厚；ω角頻率；V：容積m3；f：頻率Hz；

由于主管徑為69 mm為固定值，消聲器內(nèi)部孔徑越大，孔截面積越大，為保證設(shè)計(jì)可工程化，一般孔選孔徑為 3 mm～6 mm。隨著孔徑增大，孔間距需相應(yīng)增加，一般2 mm～4 mm為佳。根據(jù)基態(tài)仿真結(jié)果可知，各頻帶相應(yīng)傳遞損失呈現(xiàn)多個寬頻狀態(tài)。所以在500 Hz～800 Hz低頻階段需要適當(dāng)?shù)脑黾忧惑w體積，增大孔徑，減少孔數(shù)，傳遞損提升幅值在5.8 dB～6.5 dB，且在設(shè)計(jì)過程中孔徑越小、孔數(shù)越多、腔體體積越小，對高頻消聲效果越好，反之亦然。根據(jù)此項(xiàng)規(guī)則，在可工程化的前提下，平衡孔徑、孔數(shù)、腔體體積之間的微妙關(guān)系，對七個腔體進(jìn)行合理安排計(jì)算。消聲腔結(jié)構(gòu)參數(shù)、一維聲學(xué)性能如表2所示：

表2 一維優(yōu)化計(jì)算

通過計(jì)算，消聲元件體積為1.22 L＜1.5 L，滿足布置要求；且傳遞損失幅值、頻率基本滿足性能要求。

3.2 多孔消聲器模型&模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)一維計(jì)算結(jié)果，對預(yù)留消聲器空間進(jìn)行分割，由左至右分別為V 1～V 7，消除頻率由低到高。對分割好的腔體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖4 腔體分割&網(wǎng)格劃分結(jié)果

通過Hyper Mesh軟件對基態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸為2 mm，共計(jì)71 610節(jié)點(diǎn)和612 209個網(wǎng)格。經(jīng)檢測其網(wǎng)格質(zhì)量相對良好。

3.3 多孔消聲器邊界屬性&仿真結(jié)果分析

在保證其他設(shè)置條件與基態(tài)條件一致的前提下，將多孔消聲器放入基態(tài)系統(tǒng)中，通過Virtual Lab軟件對基態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5。通過對比圖3和圖5的結(jié)果可知，多孔消聲器在800 Hz～4 000 Hz對整個系統(tǒng)傳遞損失提升平均為5 dB～10 dB，使整體滿足≥20 dB要求。300 Hz～800 Hz整體趨近于10 dB。由于增壓發(fā)動機(jī)噪聲一般集中在中高頻段，結(jié)果可知，消聲器滿足前期性能開發(fā)目標(biāo)。

圖3 進(jìn)氣系統(tǒng)基態(tài)仿真結(jié)果

圖5 進(jìn)氣系統(tǒng)基態(tài)仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文在進(jìn)氣系統(tǒng)前期開發(fā)階段，針對增壓機(jī)型噪聲特性，在消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，同時進(jìn)行聲學(xué)性能仿真。結(jié)果表明，仿真結(jié)果與一維聲學(xué)計(jì)算結(jié)果相符，具有一定的參考意義；消聲器可以滿足前期消聲性能要求，達(dá)到系統(tǒng)中高頻傳遞損失一般≥20 dB相關(guān)要求。后續(xù)可根據(jù)此版設(shè)計(jì)進(jìn)行消聲器樣件試制，為后續(xù)試驗(yàn)的提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。