基于CAE分析技術的油底殼低噪聲設計

2013-06-05  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

本文采用有限元法和SYSNOISE噪聲分析軟件的邊界元法聯(lián)合求解技術進行了柴油機油底殼的結構振動和表面噪聲的數(shù)值模擬研究,建立了油底殼的有限元模型和半消聲室輻射聲場邊界元模型,并通過模擬計算從增加材料阻尼和提高結構剛度兩個方面提出了改進設計方案,通過試驗驗證了計算的正確性,為CAE分析在NVH領域的應用提供了基礎。

作者: 方華*李盛成*宮傳剛    來源: 安世亞太
關鍵字: CAE ansys 有限元 邊界元 輻射聲場 阻尼 結構剛度

1. 前言
隨著內燃機的強化,人們對內燃機的振動和噪聲控制問題越來越重視。油底殼的輻射噪聲有時可占發(fā)動機總噪聲的15~22%左右。因此降低油底殼的輻射噪聲對降低發(fā)動機整體噪聲有著重要的意義。
近年來,隨著計算機技術的飛速發(fā)展,在汽車產(chǎn)品開發(fā)方面,CAE技術已經(jīng)大量應用。在零、部件以及整車尚未制造出來時,使用CAE技術可以對它們的強度、可靠性以及各種特性進行計算分析,在計算機上進行“試驗”。有限元分析技術是CAE技術中重要方法之一。有限元法在力學領域中的應用已相當成熟,但由于聲輻射問題需要對整個外部聲場劃分三維網(wǎng)格,使得單元數(shù)量和求解工作量巨大,甚至無法求解。因此,有限元技術在聲學領域里的應用僅限于內場分析和簡單規(guī)則結構的外場分析。而邊界元法則利用邊界積分方程,使問題的維數(shù)降低了一維,并且既能求解有界區(qū)域問題,也能求解無界區(qū)域問題。這兩種方法相輔相成,它們的組合有著廣泛的應用。
2.油底殼輻射聲場模型的建立
根據(jù)油底殼的結構參數(shù)及材料參數(shù),建立了如圖1所示的有限元模型。并進行了諧響應分析,得到了油底殼在螺栓加速度譜激勵下的位移響應,作為輻射聲場邊界元分析的計算邊界。并建立了如圖2所示的油底殼邊界元的半消聲室模型,圖中的半球形網(wǎng)格為按照ISO3744-1994要求建立的域點網(wǎng)格,半徑為1.45米。

       
圖1 油底殼的有限元計算模型     圖2 油底殼的半消聲室模型

3.材料阻尼的變化對油底殼輻射噪聲的影響
金屬材料的阻尼值是很低的,鋼、鐵材料的損耗因子為1×10^-4~6×10^-4,而由兩塊鋼板之間夾有非常薄的黏彈性高分子材料構成的復合阻尼金屬板材的損耗因子一般在0.3以上。因此,在η=5×10^-4~0.5之間選取了η為0.0005(原型),0.05,0.1,0.2,0.5分別進行諧響應分析和輻射聲功率計算,結果及分析見圖3~圖6。

圖3 輸出聲功率頻譜曲線圖     圖4 聲輻射效率頻譜曲線

圖5 輸入和輸出聲功率級隨損耗因子的變化曲線      圖6 聲輻射效率隨損耗因子的變化曲線

輸出功率以復數(shù)形式存在,其實部以輻射聲能的形式向外傳播,稱有功聲功率,而虛部則只在原地作聲能振蕩,不向外傳遞功率,稱無功功率。本文中的輸出功率均指有功功率。聲輻射效率表征了有功功率占整個輸入功率的比例,等于有功功率與輸入功率的比值。
由圖3、圖4可以看出,輸入和輸出聲功率級隨損耗因子的增大都呈減小趨勢,也即隨著阻尼的增大,表面振動和輻射噪聲都將減小,但趨勢漸緩;而且,隨著阻尼的增大,高頻噪聲降低明顯,300Hz以下頻率范圍輸入輸出聲功率均變化不大。
聲輻射效率隨頻率的增大總體上有增大的趨勢,當阻尼增大時尤為明顯。又見圖6中,總的聲輻射效率隨阻尼的增大,表現(xiàn)先降后升的趨勢,在0.1左右時達到最小。這是因為,隨著阻尼的增大,高頻噪聲明顯降低,使得低頻噪聲逐漸占主導地位,而激勵在230Hz最大,所以,隨著阻尼的增大,共振頻率移向低頻,越來越靠近激勵頻率,共振的強度越來越大,能量向外輻射的越來越多,所以輸出的能量占輸入能量的比例增大,即輻射效率增大。

4.結構剛度的改變對輻射噪聲的影響
根據(jù)底面和左右側面貢獻率較大,以及峰值頻率點的法向速度云圖,在底面和左右側面加工出凹槽以提高剛度。如圖7的改進設計。圖中紅色的部位即為修改部位。

 
圖7 油底殼的結構改進設計模型圖

利用該模型,采用原機的油底殼螺栓激勵進行諧響應分析,然后再進行輻射噪聲計算。輸出聲功率和輻射效率的計算結果如圖8和圖9所示。
    由圖可知,在小于300Hz的范圍內,原型和改進型的輸出及輻射效率基本相等,而在原峰值頻率點345 Hz、460Hz、900Hz處,改進型的輸出有顯著降低,但在大于750Hz的范圍內又出現(xiàn)了多個峰值頻率,尤其是785Hz處的振幅很大。綜合的結果導致加筋后總的輻射聲功率級降低1.6dBA。
原峰值頻率點的輻射效率明顯增大,說明結構剛度的提高導致輻射效率增大。 

   
 (a)     (b)
圖8 改進型與原型的頻譜比較 (a)輸出聲功率級 (b)輻射效率

圖9 改進型與原型的聲功率級及聲輻射效率比較

表1 輸出聲功率比較

由圖10可知,當頻率大于300Hz時,改進型的固有頻率大于原型,所以,剛度增大,輻射效率增加。這是因為慢速的模態(tài)較快速的模態(tài)在正負體積速度交界區(qū)域的抵消作用更大。
因此,在為了減小表面振動而提高結構剛度的同時,相應的輻射效率也會增大,所以二者應互相兼顧,只有那些能大幅度降低振動,而輻射效率又增加不多的措施才會使總的輻射聲功率有所降低,從而達到降低噪聲的目的。

圖10 原型與改進型的固有頻率的比較

為此,筆者又提出如圖11所示的加中間橫隔板的油底殼模型,稱為隔板模型。計算結果見表2。

   
圖11 帶有中間橫隔板的油底殼模型

表2 輸出功率比較

由表可知,隔板模型總的輸出功率較加筋模型有較大降低,最高達3.89dB。

5.試驗驗證
試驗是在半消聲室中進行,由于是做對比試驗,且改進目的是降低車外噪聲。在距柴油機1m處的前面、兩側和頂面放置4個傳聲器,比較其平均聲壓級曲線。測量噪聲時,發(fā)動機全負荷,轉速在800r/min~2300r/min之間均勻加速。記錄時間30秒。分別測了四次。各點聲壓級曲線如圖所示,圖中紅線為原機數(shù)據(jù),綠線為裝有不加筋復合鋼板油底殼的改進型數(shù)據(jù)。由圖可知,裝有不加筋復合鋼板油底殼的改進型有明顯的降噪效果。

   
后部         右側

   
前部         左側

圖12 發(fā)動機各側面原機和改進型聲壓級對比

6.結論
增大阻尼可以較大幅度地降低輻射噪聲,因此復合鋼板油底殼有明顯的降噪效果;提高結構剛度,在設計合理的情況下也有明顯效果,但對復合鋼板油底殼,筆者認為此時的振動主要是強迫振動,提高局部剛度也無明顯效果,應在減小激勵和提高整體剛度方面采取措施。
通過實驗與計算結果的比較可知,模擬計算結果與實測數(shù)據(jù)具有相同的趨勢,說明了本文所提出的模擬計算方法的正確性,改進設計方案的可行性。

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