發(fā)動機(jī)是影響汽車NVH性能的最主要的因素，在發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)階段就深入進(jìn)行振動噪聲性能的預(yù)測與優(yōu)化，已經(jīng)成為發(fā)動機(jī)開發(fā)的基本流程，是發(fā)動機(jī)自主研發(fā)過程中的重要工作。

國內(nèi)外對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲的預(yù)測做了大量研究，中低頻結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測方法已趨成熟。結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)與輻射噪聲之間的關(guān)系非常復(fù)雜，目前根據(jù)強(qiáng)迫振動響應(yīng)計(jì)算輻射噪聲的計(jì)算方法主要有平板理想化法、有限元法和邊界元法等。噪聲預(yù)測技術(shù)的發(fā)展使得發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行噪聲評價成為可能。

本文探討了適于進(jìn)行動力總成振動及結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測的方法；建立了動力總成各主要部件的有限元模型，通過AVL EXCITE軟件進(jìn)行了動力學(xué)分析，并計(jì)算發(fā)動機(jī)的振動響應(yīng)。進(jìn)行NVH的性能提升的最重要的就是首先要找到主要振動及噪聲源，并開展有針對性的工作。為了更明確發(fā)動機(jī)的主要聲源，采用自編軟件，根據(jù)表面振動速度結(jié)果進(jìn)行了主要表面的輻射聲功率排序，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測。

發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)振動預(yù)測

進(jìn)行發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)振動及噪聲預(yù)測，涉及到大量的研究工作，主要工作包括各部件有限元建模、子結(jié)構(gòu)模態(tài)提取，EXCITE模型搭建，主要激勵計(jì)算，動力學(xué)分析，振動響應(yīng)計(jì)算，表面輻射聲源排序，聲邊界元建模和空間聲場預(yù)測等工作。

1. 動力總成有限元模型

動力總成有限元模型包括缸體、框架、缸蓋、油底殼、缸套、進(jìn)氣歧管、排氣歧管、氣門室罩蓋、4個懸置支架、變速器殼體、變速器傳動軸及齒輪等。由于研究的動力總成的4個懸置支架中有3個是安裝在變速器上，所以加入變速器殼體的有限元模型，這樣可以更準(zhǔn)確地模擬動力總成的振動情況，特別是怠速工況下的振動。圖1所示為動力總成的有限元網(wǎng)格。同樣需建立曲軸組件的有限元網(wǎng)格，曲軸組件包括曲軸、飛輪、扭轉(zhuǎn)減振器、皮帶輪和正時齒輪等部件。

圖1 動力總成的有限元網(wǎng)格

2. 發(fā)動機(jī)動力學(xué)模型

發(fā)動機(jī)動力學(xué)計(jì)算模型包括了有限元模型及連接參數(shù)。參數(shù)包括連桿質(zhì)量、剛度，活塞質(zhì)量，軸承剛度，發(fā)動機(jī)懸置軟墊剛度以及軸瓦剛度及阻尼等。

3. 發(fā)動機(jī)激勵

發(fā)動機(jī)工作時，其激勵比較復(fù)雜。主要考慮了氣體爆發(fā)壓力、活塞連桿組件的慣性加速度、活塞側(cè)向拍擊力、凸輪軸軸承座作用力、氣門彈簧力和氣門落座力等激勵。這些載荷采用相應(yīng)軟件計(jì)算得到。某轉(zhuǎn)速下的氣體爆發(fā)壓力曲線見圖2。

圖2 發(fā)動機(jī)爆發(fā)壓力

圖3和圖4分別為第一缸的作用在活塞頂部的爆發(fā)壓力載荷、進(jìn)氣凸輪軸對軸承座的作用力的載荷－曲軸轉(zhuǎn)角歷程。

圖3 作用在活塞頂部的爆發(fā)壓力載荷

圖4 進(jìn)氣凸輪軸對軸承座的作用力

在不同的轉(zhuǎn)速工況下，各種載荷的時間歷程都是不同的，需要在軟件中輸入不同工況下的載荷曲線。

4. 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算

模型搭建完成后，計(jì)算主要工況下動力總成的振動。在EXCITE中進(jìn)行動力學(xué)計(jì)算后，進(jìn)入NASTRAN中進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，得到各結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。

模型搭建完成后，計(jì)算主要轉(zhuǎn)速工況下動力總成的振動加速度，主要計(jì)算工況包括1000r/min、最大扭矩轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速等。在EXCITE中進(jìn)行動力學(xué)計(jì)算后，結(jié)果導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，得到各結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。圖5所示為發(fā)動機(jī)在6 500r/min時的表面振動速度。

圖5 轉(zhuǎn)數(shù)為6 500r/min時表面振動速度（400Hz）

聲源排序及結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測

1. 聲學(xué)邊界元模型建立

在Virtual Lab的網(wǎng)格粗化模塊中，先導(dǎo)入結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格，然后通過提取3D網(wǎng)格的面單元、補(bǔ)面和封包等操作，生成聲學(xué)邊界元網(wǎng)格，邊界元模型的網(wǎng)格尺寸根據(jù)計(jì)算最高頻率為2 000Hz來設(shè)置。

2. 速度邊界條件映射

建立了邊界元網(wǎng)格后，需要在Virtual Lab/Acoustic中將結(jié)構(gòu)表面振動速度映射到邊界單元節(jié)點(diǎn)上。圖6所示為轉(zhuǎn)數(shù)在1000r/min時邊界單元節(jié)點(diǎn)的振動速度（25Hz）。從圖中可清楚地看出，低頻段主要為整機(jī)的運(yùn)動。

圖6 轉(zhuǎn)數(shù)為1 000r/min時表面振動速度（25Hz）

3. 聲源排序

從以上圖形只能得到直觀的速度分布圖形，并不能從數(shù)量上反映各部件主要輻射表面的貢獻(xiàn)量。為了明確主要的結(jié)構(gòu)噪聲源的輻射表面，進(jìn)行輻射聲功率的排序是非常必要的。作者編寫了振動輻射聲功率的計(jì)算程序，可方便地進(jìn)行輻射功率排序。圖7為某工況的振動輻射能量排序。

圖7 某工況的振動輻射能量排序

從分析結(jié)果來看，最主要的輻射能量來自于發(fā)動機(jī)缸蓋以上的部分。除右側(cè)外，其他的部位輻射能量都比較大，這與該發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管的布置有關(guān)。而油底殼部分，由于該發(fā)動機(jī)油底殼的剛度比較好，所以不是主要的輻射源。

4. 噪聲預(yù)測

在將結(jié)構(gòu)表面振動速度映射到邊界單元節(jié)點(diǎn)上后，計(jì)算了發(fā)動機(jī)在一定頻率范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲。圖8所示為500Hz的輻射噪聲情況。場點(diǎn)取離發(fā)動機(jī)表面1m處的六面體。通過輻射噪聲場的分析，可以明確該工況下主要結(jié)構(gòu)輻射噪聲頻率及輻射表面，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化指明了方向。

圖8 500Hz的輻射噪聲

結(jié)語

發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)振動與噪聲預(yù)測是一項(xiàng)降低發(fā)動機(jī)噪聲極其經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)。實(shí)施噪聲最優(yōu)化問題的關(guān)鍵在于三個方面，一是噪聲預(yù)測的準(zhǔn)確性；二是預(yù)測噪聲計(jì)算的速度；三是要得到主要的振動噪聲源。采用AVL/EXCITE等軟件，可以非常方便地進(jìn)行發(fā)動機(jī)噪聲預(yù)測，從而為產(chǎn)品的NVH性能的提升提供了有力的工具。

在對發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速下的振動噪聲預(yù)測的基礎(chǔ)上，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對照分析，可進(jìn)一步提高預(yù)測模型的精度。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行噪聲最優(yōu)化設(shè)計(jì)可望開發(fā)出NVH性能優(yōu)異的發(fā)動機(jī)。

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