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发动机结构振动及噪声预测 |
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作者：奇瑞发动机工程研究 邓晓龙 |
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发动机是影响汽车NVH性能的最主要的因素，在发动机的设计阶段就深入进行振动噪声性能的预测与优化，已经成为发动机开发的基本流程，是发动机自主研发过程中的重要工作。
国内外对发动机结构噪声的预测做了大量研究，中低频结构噪声预测方法已趋成熟。结构振动响应与辐射噪声之间的关系非常复杂，目前根据强迫振动响应计算辐射噪声的计算方法主要有平板理想化法、有限元法和边界元法等。噪声预测技术的发展使得发动机在设计阶段进行噪声评价成为可能。
本文探讨了适于进行动力总成振动及结构噪声预测的方法；建立了动力总成各主要部件的有限元模型，通过AVL EXCITE软件进行了动力学分析，并计算发动机的振动响应。进行NVH的性能提升的最重要的就是首先要找到主要振动及噪声源，并开展有针对性的工作。为了更明确发动机的主要声源，采用自编软件，根据表面振动速度结果进行了主要表面的辐射声功率排序，最后进行结构噪声预测。
发动机结构振动预测
进行发动机结构振动及噪声预测，涉及到大量的研究工作，主要工作包括各部件有限元建模、子结构模态提取，EXCITE模型搭建，主要激励计算，动力学分析，振动响应计算，表面辐射声源排序，声边界元建模和空间声场预测等工作。
1. 动力总成有限元模型
动力总成有限元模型包括缸体、框架、缸盖、油底壳、缸套、进气歧管、排气歧管、气门室罩盖、4个悬置支架、变速器壳体、变速器传动轴及齿轮等。由于研究的动力总成的4个悬置支架中有3个是安装在变速器上，所以加入变速器壳体的有限元模型，这样可以更准确地模拟动力总成的振动情况，特别是怠速工况下的振动。图1所示为动力总成的有限元网格。同样需建立曲轴组件的有限元网格，曲轴组件包括曲轴、飞轮、扭转减振器、皮带轮和正时齿轮等部件。
图1 动力总成的有限元网格
2. 发动机动力学模型
发动机动力学计算模型包括了有限元模型及连接参数。参数包括连杆质量、刚度，活塞质量，轴承刚度，发动机悬置软垫刚度以及轴瓦刚度及阻尼等。
3. 发动机激励
发动机工作时，其激励比较复杂。主要考虑了气体爆发压力、活塞连杆组件的惯性加速度、活塞侧向拍击力、凸轮轴轴承座作用力、气门弹簧力和气门落座力等激励。这些载荷采用相应软件计算得到。某转速下的气体爆发压力曲线见图2。
图2 发动机爆发压力
图3和图4分别为第一缸的作用在活塞顶部的爆发压力载荷、进气凸轮轴对轴承座的作用力的载荷－曲轴转角历程。
图3 作用在活塞顶部的爆发压力载荷
图4 进气凸轮轴对轴承座的作用力
在不同的转速工况下，各种载荷的时间历程都是不同的，需要在软件中输入不同工况下的载荷曲线。
4. 发动机结构响应计算
模型搭建完成后，计算主要工况下动力总成的振动。在EXCITE中进行动力学计算后，进入NASTRAN中进行数据恢复，得到各结构的振动响应。
模型搭建完成后，计算主要转速工况下动力总成的振动加速度，主要计算工况包括1000r/min、最大扭矩转速和额定转速等。在EXCITE中进行动力学计算后，结果导入有限元软件中进行数据恢复，得到各结构的振动响应。图5所示为发动机在6 500r/min时的表面振动速度。
图5 转数为6 500r/min时表面振动速度（400Hz）
声源排序及结构噪声预测
1. 声学边界元模型建立
在Virtual Lab的网格粗化模块中，先导入结构有限元网格，然后通过提取3D网格的面单元、补面和封包等操作，生成声学边界元网格，边界元模型的网格尺寸根据计算最高频率为2 000Hz来设置。
2. 速度边界条件映射
建立了边界元网格后，需要在Virtual Lab/Acoustic中将结构表面振动速度映射到边界单元节点上。图6所示为转数在1000r/min时边界单元节点的振动速度（25Hz）。从图中可清楚地看出，低频段主要为整机的运动。
图6 转数为1 000r/min时表面振动速度（25Hz）
3. 声源排序
从以上图形只能得到直观的速度分布图形，并不能从数量上反映各部件主要辐射表面的贡献量。为了明确主要的结构噪声源的辐射表面，进行辐射声功率的排序是非常必要的。作者编写了振动辐射声功率的计算程序，可方便地进行辐射功率排序。图7为某工况的振动辐射能量排序。
图7 某工况的振动辐射能量排序
从分析结果来看，最主要的辐射能量来自于发动机缸盖以上的部分。除右侧外，其他的部位辐射能量都比较大，这与该发动机的进气歧管的布置有关。而油底壳部分，由于该发动机油底壳的刚度比较好，所以不是主要的辐射源。
4. 噪声预测
在将结构表面振动速度映射到边界单元节点上后，计算了发动机在一定频率范围内的结构辐射噪声。图8所示为500Hz的辐射噪声情况。场点取离发动机表面1m处的六面体。通过辐射噪声场的分析，可以明确该工况下主要结构辐射噪声频率及辐射表面，为结构优化指明了方向。
图8 500Hz的辐射噪声
结语
发动机结构振动与噪声预测是一项降低发动机噪声极其经济有效的技术。实施噪声最优化问题的关键在于三个方面，一是噪声预测的准确性；二是预测噪声计算的速度；三是要得到主要的振动噪声源。采用AVL/EXCITE等软件，可以非常方便地进行发动机噪声预测，从而为产品的NVH性能的提升提供了有力的工具。
在对发动机各转速下的振动噪声预测的基础上，通过与试验数据的对照分析，可进一步提高预测模型的精度。在此基础上进行噪声最优化设计可望开发出NVH性能优异的发动机。(end)
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(7/10/2009) |
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