搜索基于CAE分析技術(shù)的油底殼低噪聲設(shè)計(jì)
2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)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(shù)進(jìn)行了柴油機(jī)油底殼的結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(chǎng)邊界元模型,并通過(guò)模擬計(jì)算從增加材料阻尼和提高結(jié)構(gòu)剛度兩個(gè)方面提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算的正確性,為CAE分析在NVH領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
作者: 方華*李盛成*宮傳剛 來(lái)源: 安世亞太
關(guān)鍵字: CAE ansys 有限元 邊界元 輻射聲場(chǎng) 阻尼 結(jié)構(gòu)剛度
1. 前言
隨著內(nèi)燃機(jī)的強(qiáng)化,人們對(duì)內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)和噪聲控制問(wèn)題越來(lái)越重視。油底殼的輻射噪聲有時(shí)可占發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲的15~22%左右。因此降低油底殼的輻射噪聲對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)整體噪聲有著重要的意義。
近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面,CAE技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用。在零、部件以及整車尚未制造出來(lái)時(shí),使用CAE技術(shù)可以對(duì)它們的強(qiáng)度、可靠性以及各種特性進(jìn)行計(jì)算分析,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行“試驗(yàn)”。有限元分析技術(shù)是CAE技術(shù)中重要方法之一。有限元法在力學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用已相當(dāng)成熟,但由于聲輻射問(wèn)題需要對(duì)整個(gè)外部聲場(chǎng)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(wú)法求解。因此,有限元技術(shù)在聲學(xué)領(lǐng)域里的應(yīng)用僅限于內(nèi)場(chǎng)分析和簡(jiǎn)單規(guī)則結(jié)構(gòu)的外場(chǎng)分析。而邊界元法則利用邊界積分方程,使問(wèn)題的維數(shù)降低了一維,并且既能求解有界區(qū)域問(wèn)題,也能求解無(wú)界區(qū)域問(wèn)題。這兩種方法相輔相成,它們的組合有著廣泛的應(yīng)用。
2.油底殼輻射聲場(chǎng)模型的建立
根據(jù)油底殼的結(jié)構(gòu)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(jìn)行了諧響應(yīng)分析,得到了油底殼在螺栓加速度譜激勵(lì)下的位移響應(yīng),作為輻射聲場(chǎng)邊界元分析的計(jì)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(diǎn)網(wǎng)格,半徑為1.45米。
圖1 油底殼的有限元計(jì)算模型 圖2 油底殼的半消聲室模型
3.材料阻尼的變化對(duì)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(gòu)成的復(fù)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(jìn)行諧響應(yīng)分析和輻射聲功率計(jì)算,結(jié)果及分析見(jiàn)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(jí)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(fù)數(shù)形式存在,其實(shí)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(wú)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(gè)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(jí)隨損耗因子的增大都呈減小趨勢(shì),也即隨著阻尼的增大,表面振動(dòng)和輻射噪聲都將減小,但趨勢(shì)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(shì),當(dāng)阻尼增大時(shí)尤為明顯。又見(jiàn)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(shì),在0.1左右時(shí)達(dá)到最小。這是因?yàn)?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(dǎo)地位,而激勵(lì)在230Hz最大,所以,隨著阻尼的增大,共振頻率移向低頻,越來(lái)越靠近激勵(lì)頻率,共振的強(qiáng)度越來(lái)越大,能量向外輻射的越來(lái)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(jié)構(gòu)剛度的改變對(duì)輻射噪聲的影響
根據(jù)底面和左右側(cè)面貢獻(xiàn)率較大,以及峰值頻率點(diǎn)的法向速度云圖,在底面和左右側(cè)面加工出凹槽以提高剛度。如圖7的改進(jìn)設(shè)計(jì)。圖中紅色的部位即為修改部位。
圖7 油底殼的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)模型圖
利用該模型,采用原機(jī)的油底殼螺栓激勵(lì)進(jìn)行諧響應(yīng)分析,然后再進(jìn)行輻射噪聲計(jì)算。輸出聲功率和輻射效率的計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。
由圖可知,在小于300Hz的范圍內(nèi),原型和改進(jìn)型的輸出及輻射效率基本相等,而在原峰值頻率點(diǎn)345 Hz、460Hz、900Hz處,改進(jìn)型的輸出有顯著降低,但在大于750Hz的范圍內(nèi)又出現(xiàn)了多個(gè)峰值頻率,尤其是785Hz處的振幅很大。綜合的結(jié)果導(dǎo)致加筋后總的輻射聲功率級(jí)降低1.6dBA。
原峰值頻率點(diǎn)的輻射效率明顯增大,說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度的提高導(dǎo)致輻射效率增大。
(a) (b)
圖8 改進(jìn)型與原型的頻譜比較 (a)輸出聲功率級(jí) (b)輻射效率
圖9 改進(jìn)型與原型的聲功率級(jí)及聲輻射效率比較
表1 輸出聲功率比較
由圖10可知,當(dāng)頻率大于300Hz時(shí),改進(jìn)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?yàn)槁俚哪B(tài)較快速的模態(tài)在正負(fù)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(dòng)而提高結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí),相應(yīng)的輻射效率也會(huì)增大,所以二者應(yīng)互相兼顧,只有那些能大幅度降低振動(dòng),而輻射效率又增加不多的措施才會(huì)使總的輻射聲功率有所降低,從而達(dá)到降低噪聲的目的。
圖10 原型與改進(jìn)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(dá)3.89dB。
5.試驗(yàn)驗(yàn)證
試驗(yàn)是在半消聲室中進(jìn)行,由于是做對(duì)比試驗(yàn),且改進(jìn)目的是降低車外噪聲。在距柴油機(jī)1m處的前面、兩側(cè)和頂面放置4個(gè)傳聲器,比較其平均聲壓級(jí)曲線。測(cè)量噪聲時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷,轉(zhuǎn)速在800r/min~2300r/min之間均勻加速。記錄時(shí)間30秒。分別測(cè)了四次。各點(diǎn)聲壓級(jí)曲線如圖所示,圖中紅線為原機(jī)數(shù)據(jù),綠線為裝有不加筋復(fù)合鋼板油底殼的改進(jìn)型數(shù)據(jù)。由圖可知,裝有不加筋復(fù)合鋼板油底殼的改進(jìn)型有明顯的降噪效果。
后部 右側(cè)
前部 左側(cè)
圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)各側(cè)面原機(jī)和改進(jìn)型聲壓級(jí)對(duì)比
6.結(jié)論
增大阻尼可以較大幅度地降低輻射噪聲,因此復(fù)合鋼板油底殼有明顯的降噪效果;提高結(jié)構(gòu)剛度,在設(shè)計(jì)合理的情況下也有明顯效果,但對(duì)復(fù)合鋼板油底殼,筆者認(rèn)為此時(shí)的振動(dòng)主要是強(qiáng)迫振動(dòng),提高局部剛度也無(wú)明顯效果,應(yīng)在減小激勵(lì)和提高整體剛度方面采取措施。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果的比較可知,模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有相同的趨勢(shì),說(shuō)明了本文所提出的模擬計(jì)算方法的正確性,改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的可行性。
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