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基于LMS Virtual.Lab Acoustics的发动机结构噪声预测 |
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作者：邓晓龙 李修蓬 |
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奇瑞汽车工程研究院动力总成开发部 邓晓龙 李修蓬
摘要：在发动机设计阶段就进行发动机结构噪声预测，并在此基础上进行噪声最优化控制，是提升发动机的NVH性能的根本手段。在对发动机进行动力学分析、结构响应振动计算后，采用LMS Virtual Lab/Acoustic软件进行了发动机结构噪声预测。
关键词：发动机; 噪声预测;
1 前言
随着我国汽车自主创新的不断深入，从设计阶段开始就同步进行计算机仿真成为发动机开发的基本需求。CAE技术的大量应用，降低了发动机开发的成本，缩短了开发周期，提升了产品性能。
汽车的NVH（Noise,Vibration and Harshness；噪声、振动与舒适性）性能日益受到重视，发动机是汽车最主要的振动及噪声源，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，是发动机自主研发过程中非常重要的一项工作。
国内外研究人员对发动机结构噪声的预测做了大量的研究工作，中低频的结构噪声预测方法已经趋于成熟。出现了一些可进行噪声预测的商业软件，如LMS公司的Virtual Lab/Acoustic等。
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[1]。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。
本文建立了发动机主要部件的有限元模型，通过AVL/EXCITE软件，进行了动力学分析，施加发动机的主要激励后，用MSC/NASTRAN计算发动机的振动响应，最后采用Virtual Lab/Acoustic进行噪声预测。
2 结构噪声预测理论
2.1 发动机结构噪声预测流程
进行发动机结构噪声预测，需要进行大量的研究工作。图1为发动机结构噪声预测的基本流程。
图1 发动机辐射噪声预测流程
2.2 发动机结构强迫振动响应
在计算强迫振动响应时，假设发动机受到随时间变化的激励力的作用，系统为线弹性振动。简谐激励力作用下的结构动力方程为
式中，M为质量阵；C为阻尼阵；K为刚度阵；u为位移向量；u*为速度向量；U**为加速度向量。
2.3 辐射噪声边界元计算模型
简谐激励力作用下结构振动在外部流体介质中产生的辐射声压p满足Helmholtz方程 ，式中，p表示声压，k为声波数，k=ω/c，ω为激励圆频率，c为介质中的声速，取343m/s。
振动结构外场声辐射问题为Neumman问题，即给定表面法向速度∂p/∂n=iωρvn，式中，ρ为介质（空气）密度，vn为结构表面的法向速度。
p还必须满足Sommerfeld辐射条件，即在无限远处，声压为0。
利用格林函数 ，可得到Helmholtz积分方程：
式中，R=|Q-P|，Q为辐射表面上点，P为空间中的点。 。
C(P)取决于P点在声场中位置，对于光滑表面S，当P点在辐射体内时，C(P)=0；当P点是位于辐射体表面上的非奇异点时，C(P)=2π；当P点在辐射声场中时，C(P)=4π。
对辐射表面的复合Helmholtz积分方程离散化后，可得到边界元求解方程{P}=[D]p{vn}，求解该方程，得到边界面上的声压值，在边界面上进行积分，可求出辐射声功率。再代入方程（2），可求出外场中任意点的声压值。
3 发动机结构噪声预测
3.1 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（缸体、缸盖、框架、曲轴、油底壳等）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等。图2~图5分别为缸盖、缸体框架、油底壳、曲轴组件的有限元网格。图5中曲轴组件包括曲轴、飞轮、扭转减振器、皮带轮、正时齿轮等部件。图6为发动机的动力学模型。
图2 缸盖有限元网格
图3 缸体和框架的有限元网格
图4 油底壳有限元网格
图5 曲轴组件的有限元网格
图6 发动机的动力学模型
3.2 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、凸轮轴承座作用力、气门弹簧力、气门落座力等激励。
这些载荷全部采用相应软件计算得到。1000rpm时的气体爆发压力曲线见图7。图8~图10分别为1000rpm时，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、活塞对气缸套侧向推力的载荷时间历程。其它气缸的载荷相位按照1-3-4-2的点火次序来进行偏移。
图7 发动机爆发压力
图8 作用在活塞顶部的爆发压力
图9 进气凸轮轴对轴承座的作用
图10 活塞对气缸套侧向推力
3.3 发动机结构响应
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。图11为发动机在1000rpm时的表面振动速度（25Hz）。图12为发动机在1000rpm时的表面振动速度（500Hz）。
图11 1000rpm时表面振动速度（25Hz）
图12 1000rpm时表面振动速度（500Hz）
4 结构噪声预测
4.1 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、封包等操作，生成声学边界元网格，本文生成的边界单元适合的频率范围上限为4000Hz，见图13。
4.2 速度边界条件映射
建立了边界元网格后，需要在Virtual Lab/Acoustics中将结构表面振动速度映射到边界单元节点上后。图14为1000rpm时边界单元节点的振动速度（25Hz）。
图13 边界元网格
图14 1000rpm时边界单元节点的振动速度（25Hz）
4.3 噪声预测
将结构表面振动速度映射到边界单元节点上后，计算了发动机以1000rpm工作时，25~1000Hz范围内的辐射噪声。图15、图16分别为25Hz、500Hz的辐射噪声。场点取离发动机表面1m处的六个面。
图15 20Hz的辐射噪声
图16 500Hz的辐射噪声
5 结论
发动机结构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两个方面，一是噪声预测的准确性；二是预测噪声计算的速度。采用LMS/Virtual Lab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，结合试验数据，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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(1/11/2010) |
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