基于有限元的某汽油機(jī)排氣歧管隔熱罩NVH優(yōu)化

黃鷹　梅夏　韋善景

關(guān)鍵詞：排氣歧管隔熱罩；薄壁件；噪聲源；激勵共振；模態(tài)分析

中圖分類號： U464.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

0引言

汽車NVH直接影響用戶乘坐時的舒適程度，而發(fā)動機(jī)是汽車的主要激勵源，發(fā)動機(jī)NVH 是整車NVH 性能控制中最重要的一個環(huán)節(jié)。因此如何提升發(fā)動機(jī)NVH，是國內(nèi)汽車行業(yè)主要攻關(guān)的難題[1]。在發(fā)動機(jī)的所有零件中，作為薄壁件的排氣歧管隔熱罩由于剛度低、表面積大，在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時極有可能是主要高頻噪聲源[2]。薄壁件的共振噪聲是由于受到排氣歧管振動激勵的作用，表面強(qiáng)迫振動響應(yīng)的結(jié)果。此類噪聲一般可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化或者提升自身阻尼的方法來解決[3]。

本文通過對某汽油機(jī)進(jìn)行聲學(xué)定位及1 m 聲壓級噪聲測試，發(fā)現(xiàn)排氣歧管隔熱罩對整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量很大。然后對排氣歧管隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析研究，并提出兩種改進(jìn)方案，最后通過試驗驗證確定最優(yōu)方案，有效降低了排氣歧管隔熱罩的輻射噪聲。

1排氣歧管隔熱罩對發(fā)動機(jī)噪聲的影響

我司某款商用車搭載的汽油機(jī)在進(jìn)行整車通過噪聲測試時，通過噪聲高達(dá)74.3 dB（A），不能滿足國家相關(guān)法規(guī)74.0 dB（A）的要求。根據(jù)整車NVH 工程師反饋，在拆掉排氣歧管隔熱罩后，整車通過噪聲達(dá)到國家法規(guī)要求。因此，基本判定整車通過噪聲高于標(biāo)準(zhǔn)與發(fā)動機(jī)排氣歧管隔熱罩強(qiáng)相關(guān)。本文對發(fā)動機(jī)展開噪聲測試及分析。

1.1 聲源定位測試

在發(fā)動機(jī)半消聲室內(nèi)對該發(fā)動機(jī)進(jìn)行聲源定位試驗，測試工況為：發(fā)動機(jī)從1 000 r/min 全負(fù)荷加速至額定轉(zhuǎn)速5 600 r/min，加速時間為90 s。測試結(jié)果顯示，在整個加速過程中，噪聲聲壓主要集中在低、中頻段。

為找到噪聲源零部件，項目團(tuán)隊對整個頻率曲線進(jìn)行定位計算，發(fā)現(xiàn)排氣側(cè)噪聲主要來源于排氣歧管隔熱罩。在中低頻500～2000 Hz 時，聲源主要來自隔熱罩中部位置（圖1）；在中高頻2000～3000 Hz 時，聲源來自于隔熱罩的左側(cè)、右側(cè)位置（圖2）；在3 000 Hz 以上時，聲源從隔熱罩左側(cè)、中部和右側(cè)不規(guī)則地傳出（圖3）。

1.2 整機(jī)1m聲壓級噪聲測試

為確定排氣歧管隔熱罩輻射噪聲對發(fā)動機(jī)整機(jī)噪聲的影響程度，對發(fā)動機(jī)有無隔熱罩兩種狀態(tài)進(jìn)行發(fā)動機(jī)1m 聲壓級噪聲測試，測試工況為：1 000 r/min 全負(fù)荷加速至額定轉(zhuǎn)速5600 r/min，加速時間為90 s。測試方法按照GBT 1859—2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 輻射的空氣噪聲測量 工程法及簡易》中規(guī)定的五點(diǎn)法，分別在距離發(fā)動機(jī)進(jìn)氣側(cè)、前端面、排氣側(cè)、后端面和頂部1 m 處各布置1 個麥克風(fēng)，測試5 個端面的聲壓水平。

圖4 和圖5 分別是排氣側(cè)1 m 聲壓級曲線和整機(jī)1 m 聲功率曲線。其中，紅色曲線是該發(fā)動機(jī)帶有排氣歧管隔熱罩時的加速噪聲曲線，綠色曲線是該發(fā)動機(jī)去掉隔熱罩后的加速噪聲曲線。

從圖4 可以看出，無隔熱罩狀態(tài)下發(fā)動機(jī)排氣側(cè)1 m 聲壓級曲線明顯降低，一般情況下降低3.0 ～ 5.0 dB（A），在某些轉(zhuǎn)速下甚至降低近8.0 dB（A）。從圖5 可以看出，無隔熱罩狀態(tài)下發(fā)動機(jī)整機(jī)1 m 聲功率級曲線也明顯降低，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2000～4000 r/min 時，大部分降低3 dB（A）以上。

通過聲源定位測試，鎖定了排氣歧管隔熱罩對排氣側(cè)噪聲影響最大，貢獻(xiàn)量主要集中在隔熱罩中部位置。整機(jī)1m聲壓級測試結(jié)果也表明，有無隔熱罩差別很大，無隔熱罩時整機(jī)1 m 聲壓級大大降低。因此，對排氣歧管隔熱罩作為突破口進(jìn)行NVH 優(yōu)化分析。

2 排氣歧管隔熱罩模態(tài)分析

2.1 有限元模型的建立

利用HyperMesh 軟件對排氣歧管隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析。將隔熱罩導(dǎo)入HyperMesh 進(jìn)行幾何清理，并提取中面特征。將單元類型設(shè)置為Shell，采用一階四邊形2D 網(wǎng)格，設(shè)置單元尺寸參數(shù)，并使用智能網(wǎng)格劃分方式劃分2D 網(wǎng)格。完成網(wǎng)格劃分之后，賦予網(wǎng)格材料屬性，其材料特性參數(shù)為：厚度T= 為1 mm ；彈性模量E 為2.1×105 MPa ；泊松比μ 為0.3，密度ρ 為7 900 kg/m3。

為了模擬最接近實(shí)際工作狀態(tài)時的排氣歧管隔熱罩固定方式及模態(tài)特征，需將隔熱罩所有5 個固定螺栓孔位置的6個自由度全部約束，以此為邊界條件，得到的隔熱罩有限元模型（圖6）。

2.2 有限元模態(tài)計算及結(jié)果分析

將所建立的隔熱罩有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中，進(jìn)行約束模態(tài)計算，從而獲得隔熱罩各階固有頻率與相應(yīng)的模態(tài)振型。由于所關(guān)心的是低階模態(tài)，所以提取隔熱罩的前六階振動模態(tài)。圖7 為隔熱罩的前六階模態(tài)振型，圖中顏色越深，表示變形越大。

由以上計算結(jié)果可知，隔熱罩在約束狀態(tài)下的模態(tài)特征主要表現(xiàn)為局部的振動，并且不同部位振動幅值相差很大。隔熱罩中上部位置由于沒有螺栓固定，造成一階約束模態(tài)偏低。當(dāng)激勵頻率為534 Hz 左右時，中間位置發(fā)生共振，振動量較大時，會產(chǎn)生明顯的輻射噪聲峰值。同樣，隔熱罩右下側(cè)位置也缺乏約束點(diǎn)，振動量較大。

因此可以知道，該隔熱罩振動幅度比較大的部位是中上部位置和右下側(cè)位置。這2 處結(jié)構(gòu)振動幅度較大，應(yīng)變能密度較集中，相對于整體而言是剛度最為薄弱得部位，引起中低頻共振的可能性最大。因此，主要對隔熱罩中上部、右下側(cè)這兩個部位進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

3 排氣歧管隔熱罩的優(yōu)化

噪聲和振動相關(guān)，要想降低噪聲就要減少振動的頻率。根據(jù)結(jié)構(gòu)的自由振動公式可知，振動頻率與結(jié)構(gòu)的剛度及其固有頻率相關(guān)。要想降低隔熱罩的噪聲，就要增加結(jié)構(gòu)的剛度，提高隔熱罩的固有頻率。剛度越大，在激勵力不變的情況下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振幅就越??；頻率越高，就會避開越多的低頻段，噪聲也會減少[4]。隔熱罩一階約束模態(tài)頻率與隔熱罩的材料、結(jié)構(gòu)以及固定方式有關(guān)，可以通過CAE 分析優(yōu)化隔熱罩的結(jié)構(gòu)及固定方式，提高其一階約束模態(tài)[5]。

針對本隔熱罩的特點(diǎn)，結(jié)合CAE 模態(tài)計算分析，為了有效提高隔熱罩薄弱區(qū)域的一階模態(tài)，對其輻射噪聲進(jìn)行優(yōu)化[6]，對該隔熱罩提出了增加約束點(diǎn)和雙層結(jié)構(gòu)2 種改進(jìn)方案。

3.1 增加約束點(diǎn)優(yōu)化

3.1.1 優(yōu)化方案描述

通過CAE分析可知，排氣歧管隔熱罩中上部位置、右下部位置是振動比較大的位置。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，中上部位置及右下部位置區(qū)域類似平板結(jié)構(gòu)，缺乏約束點(diǎn)。當(dāng)發(fā)動機(jī)在運(yùn)行時，隔熱罩在排氣歧管的振動激勵下會發(fā)生共振導(dǎo)致輻射噪聲變大。因此，為了減少隔熱罩薄弱結(jié)構(gòu)的共振，可以在中上部位置、右下部位置各增加一個固定約束點(diǎn)（圖8）。

3.1.2 模態(tài)對比分析

對增加約束點(diǎn)后的隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析，求解得隔熱罩前六階的固有頻率和模態(tài)振型。固有頻率如表1 所示。可以看出，通過增加隔熱罩約束點(diǎn)，原隔熱罩的各階固有頻率都得到了很大幅度的提高。其一階固有頻率提高了57.3%，可以避開部分低頻范圍內(nèi)的共振，降低隔熱罩的振動輻射噪聲。

模態(tài)振型如圖9 所示（顏色越深，變形越大）。從圖中可以看出，前四階局部振動特性和振動強(qiáng)度都有所降低，第五和第六階振動部位相對較多，能量作用離散程度越高，輻射噪聲越低。

3.2 雙層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2.1 優(yōu)化方案描述

原隔熱罩為單層1 mm 厚的鍍鋁鋼板結(jié)構(gòu)，此類質(zhì)量及剛度均較小的薄壁零件容易受發(fā)動機(jī)機(jī)體的激勵從而產(chǎn)生共振，導(dǎo)致輻射噪聲較大。為了提高隔熱罩的整體強(qiáng)度，項目團(tuán)隊決定將原來的單層鍍鋁鋼板結(jié)構(gòu)改為雙層鍍鋁鋼板中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)層板和外層板厚度均為1 mm（圖10）。雙層鍍鋁鋼板中間有一定的真空，其隔熱效果更佳。

3.2.2 模態(tài)對比分析

對雙層結(jié)構(gòu)的隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析，求解得隔熱罩前六階的固有頻率和模態(tài)振型。固有頻率如表2 所示，可以看出，雙層結(jié)構(gòu)隔熱罩各階固有頻率與原隔熱罩相比均有顯著提高。其一階固有頻率提高了65.5%，比增加約束點(diǎn)還高出8.3%。

由模態(tài)振型可以看出（圖11），與原來單層隔熱罩對比，雙層隔熱罩整體強(qiáng)度有很大提升。在1 200 Hz 以內(nèi)模態(tài)階數(shù)由原來的6 階模態(tài)減少為2 階，很好地抑制了隔熱罩的輻射噪聲。

4 試驗驗證

4.1 臺架試驗驗證

分別將這2 種優(yōu)化方案的排氣歧管隔熱罩樣件裝到發(fā)動機(jī)上，進(jìn)行整機(jī)1 m 聲壓級噪聲測試。試驗在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，測試結(jié)果如圖12 和圖13 所示?？梢钥闯?，與原隔熱罩相比，這2 種優(yōu)化方案對隔熱罩及發(fā)動機(jī)整機(jī)的輻射噪聲都有很好的抑制作用，尤其在對峰值的抑制上，整個加速過程中，發(fā)動機(jī)排氣側(cè)1 m 聲壓級得到了明顯的降低。

試驗結(jié)果表明，2 種優(yōu)化方案的隔熱罩對降低排氣側(cè)近場噪聲最多達(dá)8 dB（A），整機(jī)噪聲也降低了2 dB（A）左右。

4.2 整車試驗驗證

分別將這2種優(yōu)化方案的隔熱罩裝到整車進(jìn)行通過噪聲測試，測試在海南汽車試驗研究所進(jìn)行。測試過程方法和數(shù)據(jù)處理均完全按照國標(biāo)規(guī)定執(zhí)行，最終結(jié)果如表3 所示?？梢钥闯?，2 種方案均能降低整車外加速噪聲，但雙層結(jié)構(gòu)的隔熱罩效果比增加約束點(diǎn)的隔熱罩好，能使整車通過噪聲滿足法規(guī)要求。這是因為增加約束點(diǎn)只是提高了局部強(qiáng)度，而雙層結(jié)構(gòu)則從整體上提升隔熱罩的強(qiáng)度，效果更好。

結(jié)合臺架和整車試驗結(jié)果，最終選擇雙層結(jié)構(gòu)的隔熱罩作為優(yōu)化方案。

5結(jié)束語

本文通過對某汽油機(jī)進(jìn)行噪聲測試，發(fā)現(xiàn)排氣歧管隔熱罩是主要的噪聲源之一。通過對排氣歧管隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析并提出改進(jìn)方案，最后通過試驗驗證確定了最終的優(yōu)化方案。本次對某汽油機(jī)排氣歧管隔熱罩的優(yōu)化改進(jìn)取得了良好的效果，使搭載該發(fā)動機(jī)的整車通過噪聲達(dá)到了法規(guī)要求。通過本研究可以得到如下結(jié)論，對于發(fā)動機(jī)設(shè)計中如何提升NVH 水平具有一定的推廣價值。

（1）排氣歧管隔熱罩屬薄壁類零件，在進(jìn)行設(shè)計時需重點(diǎn)關(guān)注其NVH 性能。

（2）隔熱罩可以通過提高一階模態(tài)改善其振動特性，從而降低隔熱罩的輻射噪聲。對于單層鍍鋁鋼板隔熱罩而言，可通過增加約束點(diǎn)或采用雙層結(jié)構(gòu)提高剛度。

（3）對于單層鍍鋁鋼板隔熱罩的降噪優(yōu)化，雙層結(jié)構(gòu)方案比增加約束點(diǎn)效果好。

作者簡介：

黃鷹，本科，工程師，研究方向為動力開發(fā)及測試分析。