基于CBR的排气消声器快速设计与评价方研究

1、. . . 基于CBR的排气消声器快速设计与评价方研究Research on CBR-Based Rapid Design andEvaluation Method of Exhaust MufflerA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of EngineeringByXiang FeiSupervised by Prof. Deng ZhaoxiangMajor: Vehicle EngineeringColleg

2、e of Mechanical Engineering Chongqing University,Chongqing, ChinaMay2011I摘 要汽车排气消声器是多学科知识的有机结合体，各评价指标之间并不独立，文中建立了排气消声器综合性能评价体系，并结合领域专家知识，实现了多指标的综合定量评价，避免了采用单一指标进行逐一评价过程中产生的顾此失彼；排气消声器设计是弱理论强经验的设计过程，一个成熟的实例融合了大量的专家经验知识，基于实例的选型设计能够快速的匹配出与设计目标最相近的实例，不但取代了消声器原始设计方法中的概念设计，缩短了开发时间，还最大限度保留了专家设计经验知识，弥补了初级设计人

3、员的经验不足。对排气消声器的各项性能要求所涉与的评价指标进行了详细阐述，从排气消声器的传递损失自身性能、匹配性能、插入损失性能和压力损失性能几个方面对排气消声器的性能定量化评价方法进行了详细的分析，建立了一种可量化的排气消声器综合性能评价体系。对传递损失曲线进行频段划分和消声量强弱等级划分，从平均消声量大小、消声低谷和强消声频段等级的角度实现了传递损失的自身性能评价；通过对目标发动机排气噪声和各转速下尾管噪声目标曲线的基倍频阶次分析，得到了所需设计的排气消声器具有频谱特性的消声量目标曲线，将传递损失曲线与消声量目标曲线进行比较，实现了传递损失的匹配性能评价；从插入损失值和各转速下尾管噪声达标情

4、况两个方面对排气消声器的插入损失性能进行了评价；根据额定工况下的压力损失值和单位流量下的压力损失值对不同结构、不同系统的排气消声器空气动力学性能进行了评价；在传递损失曲线平均消声量和额定工况下插入损失值的评价过程中，综合考虑了容积、质量和连接管截面积的影响，引入了对排气消声器的工艺成本要求。采用定量与定性相结合的 AHP 决策方法获取了排气消声器综合性能评价指标体系的各项权重，完善了综合评价体系，并通过实例验证了评价体系的可操作性和可行性，为排气消声器的综合性能评价和匹配设计提供了依据。对排气消声器设计过程与基于实例的推理（CBR）过程的特点进行了对比分析，发现 CBR 推理过程与人类处理新问

5、题的思维方式十分相近，论证了将 CBR应用于排气消声器设计的可行性；根据 CBR 的推理过程提出了基于 CBR 的排气消声器快速设计思路和流程；详细阐述了基于框架的排气消声器实例知识表达方法，在现有的排气消声器实例的基础上建立了实例数据库；结合排气消声器综合性能评价体系，采用基于模糊相似优先比的最大相似度实例检索方法，从外形尺寸和性能要求方面实现了排气消声器的最优实例的检索，提出了匹配过程中实例数据的完整度概念，规定最优实例的选择应综合考虑数据完整度、数据相似度和II优先顺序；采用基于规则推理和人机交互相结合的方法实现了对实例的修改；采用增量式实例保存策略实现了对实例的保存；采用人机交互的方法

6、来实现实例数据库的维护。最后通过 Visual Basic.NET 和 MATLAB 语言的联合编程实现了基于 CBR 的排气消声器快速选型设计系统，利用所开发的系统完成了一款排气消声器的选型设计，初步验证了系统的可操作性和实用性。关键词：排气消声器，综合评价，实例推理，快速设计IIIABSTRACTAutomobile exhaust muffler is the multidisciplinary combination withindispensible evaluation indexes. Based on expert knowledge, a comprehensiveperfo

7、rmance evaluation system of exhaust muffler has been established, thecomprehensive quantitative evaluation of multi-index of exhaust muffler has beenimplemented, and the doubtfulness of comparing the cases respectively according todifferent indexes has been avoided. Exhaust muffler design is a typic

8、al design processwith experience overweighs theory; a mature case included large quantities of expertexperience knowledge. Based on mature cases, the most similar case can be identifiedvery quickly with case-based reasoning(CBR), which not only replaced conceptualdesign of the traditional method, bu

9、t also retained expert experience knowledge as muchas possible, it shortened the development time, and maked up for the lack of experienceof Junior designer.The evaluation indexes which associate with all of the performance requirementsof exhaust muffler has been described in detail in this paper, a

10、nd the quantitativeevaluation method of exhaust muffler also has been analysised in the aspects oftransmission loss, insert loss and pressure loss, then, a quantifiable comprehensiveperformance evaluation system of exhaust muffler has been established.It divided thetransmission loss curves by freque

11、ncy band and by attenuation ability and achieved theself-evaluation of transmission loss front the points of average sound attenuation, lowtransmission loss, intensity transmission loss and so on. The sound attenuation targetcurve has been obtained through the order frequency analysis on the exhaust

12、 noise andthe goal curve of the tail pipe noise in each rotating speed, the transmission lossmatching evaluation was carried out by comparing the transmission loss curve withsound attenuation target curve. The insert loss evaluation has been relized from thestudy of insert loss value and the reachin

13、g standard ability of the tail pipe noise in eachrotating speed. The aerodynamics evaluation indicators of exhaust muffler included thepressure loss of rated condition and unit mass flow.the evaluation system considered theinfluence of volume, quality and connecting pipe cross-sectional area and als

14、o therequirement of process cost. The weights of evaluation system obtained by AHP, finally,the operability and feasibility of evaluation system has been verified through anexample, thus to provide foundation for exhaust muffler comprehensive performanceIVevaluation and matching design.This paper de

15、monstrated that applying CBR for muffler design is feasible bycomparing and analyzing the characteristics between exhaust muffler design processand case-based reasoning (CBR) process, proposed based on CBR exhaust muffler rapiddesign ideas and processes according to the reasoning process of CBR, exp

16、ounded themuffler experience cases' knowledge representation method based on the framework,and established the instance database by existing cases，the optimal case search by thequalification of dimensions and performance has been carried out by the fuzzy analogypreferred ratio and the comprehens

17、ive performance evaluation system. In this paper, theconcept of instance data integrity has been putted forward, and regulated that dataintegrity, data similarity and priorities should be taken into account when making theoptimal choice. The case Revise has been implemented based on Rule-based reaso

18、ning(RBR) and Human Computer Interaction (HIC); Incremental case saving is employed tosave cases and HIC to maintain the database.Finally, based on CBR rapid design system of exhaust muffler has beenimplemented by Visual Basic.NET and joint programming with MATLAB, completedthe selection of exhaust

19、muffler design with the assistance of the system, themaneuverability and practicability of selection system has been validated.Keywords：Exhaust muffler, Comprehensive evaluation, Case-based reasoning, Rapiddesign.V目 录中文摘要.I英文摘要.III1 绪论.11.1 课题研究背景和意义 . 11.2 课题的国外研究现状 . 21.2.1 消声器设计方法研究现状 . 21.2.2 基于

20、实例推理的设计方法研究现状. 31.2.3 消声器评价方法研究现状 . 51.3 本课题研究目的与容 . 61.3.1 研究目的 . 61.3.2 主要研究容 . 62 排气消声器性能评价标准与设计基础理论.72.1 排气消声器性能评价指标 . 72.1.1 声学性能评价指标 . 72.1.2 空气动力学性能评价指标 . 92.1.3 消声器结构性能评价指标 . 102.2 排气消声器传统设计方法与经验 . 102.2.1 排气消声器传统设计方法 . 102.2.2 排气消声器设计经验规则 . 123 排气消声器综合性能评价方法研究.153.1 排气消声器综合性能评价模型的提出 . 153.2

21、 传递损失评价方法 . 173.2.1 传递损失自身性能评价 . 203.2.2 传递损失匹配性能评价 . 273.3 插入损失性能评价方法 . 333.3.1 插入损失值评价 . 333.3.2 各转速下尾管噪声达标情况 . 343.4 压力损失性能评价方法 . 353.4.1 额定工况下的压力损失评价 . 353.4.2 单位流量的压力损失评价 . 353.5 评价指标数据的预处理 . 35VI3.5.1 指标一致化处理 . 353.5.2 指标无量纲处理 . 373.6 评价指标体系权重的获取 . 393.6.1 层次分析法 . 393.6.2 基于 AHP 的评价指标权重确定 . 43

22、3.7 应用实例 . 453.8 本章小结 . 484 基于 CBR 的排气消声器快速设计方法研究 . 494.1 CBR 的核心思想与工作过程. 494.1.1 CBR 的核心思想 . 494.1.2 CBR 应用于排气消声器设计的可行性分析 . 504.1.3 基于 CBR 的排气消声器选型设计思路 . 514.2 实例知识的表达与实例库的建立 . 534.2.1 实例知识的表达 . 534.2.2 实例知数据库的建立 . 554.3 最大相似度实例的检索方法研究 . 564.3.1 常用的实例检索与匹配方法 . 564.3.2 实例的初步检索 . 574.3.3 排气消声器匹配检索方法

23、. 574.3.4 相似度匹配中权重的获取 . 584.3.5 最优实例的选定 . 604.4 实例的评价与修改 . 624.4.1 实例声学性能的评价与修改 . 634.4.2 实例空气动力学性能的评价与修改 . 644.5 实例的保存与维护 . 654.6 本章小结 . 655 排气消声器快速设计系统开发与应用 . 675.1 系统的开发 . 675.2 实例应用与程序操作 . 685.2.1 设计目标 . 685.2.2 选型设计 . 695.2.3 选型结果实验验证 . 735.2.4 实例评价与修改 . 745.2.5 数据库管理模块 . 75VII5.2.6 权重管理模块 . 75

24、5.3 本章小结 . 766 总结与展望.776.1 论文总结 . 776.2 后续研究展望 . 78致 .79参考文献.81附 录.87A 作者在攻读硕士期间发表的论文. 87B 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果. 871Equation Section (Next)1 绪论1.1 课题研究背景和意义进入 21 世纪以来，随着全球经济的高速发展，交通运输业得以迅猛发展，但汽车所带来的噪声问题也日趋严重。目前，我国城市中心区域的噪声普遍在 80 分贝以上，且呈逐渐上升趋势，据 2009 年中国环境状况公报显示，我国仍有 25.4%的城市区域环境噪声未能达到国家限制标准1；噪声污染的危害程度

25、已仅次于废水与废气，成为现代城市三大公害之一2；其中汽车噪声是现代城市中环境噪声的最主要组成部分，发动机排气噪声又是汽车的主要噪声源，往往比其他噪声源高10-15dB(A)3。当前，安装排气消声器是降低汽车排气噪声最有效最直接的方法。近几年随着全民环保意识的加强以与全球石油危机的频现，国家逐渐提高了汽车排放和经济性能的法规要求，这就要求汽车企业必须研制出具有较好声学和空气动力学性能的排气消声器产品。因此，研究出高性能排气消声器，对于降低交通噪声、减少城市环境噪声污染和能源消耗具有重要的社会意义和学术意义。在如今市场经济和企业信息化高速发展的时代，企业必须拥有敏锐的市场洞察能力，能在最短的开发时

26、间，开发出成本最低、质量最好的产品，才能在日益激烈的市场竞争中处于不败之地。简而言之，目前国汽车产品制造企业之间的竞争是围绕时间、质量、成本、服务和环境所开展的竞争4。据有关统计显示，在绝大多数机械产品开发中，40%是对过去的零部件产品进行重用，40%只是根据具体目标要求对现有零部件产品稍做修改，而全新的产品正向设计仅占 20%，由此可以看出以往成熟的产品在新产品开发过程中的扮演着十分重要的角色56。回望我国汽车工业的发展，2009 年我国首次成为世界汽车产销量第一大国，2010 年全国汽车产销 1826.47 万辆和 1806.19 万辆，同比分别增长 32.44%和 32.37%7。但在这

27、个“全球第一”中，我国自主品牌汽车的比重仅为 29%，因此我国还只是一个汽车制造大国，与西方工业强国相比，我国的汽车业设计技术水平还很低。差距主要表现在我国汽车企业对市场的快速反应能力差；企业自主创新能力差；设计经验知识储备量少；产品设计知识的重用率低；零部件专业设计软件严重缺乏。到目前为止，我国排气消声器设计仍以变形设计与实验对比改进为主，即针对现有某款排气消声器进行照搬或改进，演变为若干方案，再对这些方案进行台架或整车试验，通过试验结果（传递损失、插入损失、压力损失与制造成本）逐一判断是否满足要求，若不满足又进行改进和试验，以达到设计目的为止。由于目前我国大部分汽车设计生产企业的设计经验知

28、识储备较少，变形设计时往往只从同一级的单一车型出发，很难找到适合新产品的最佳变形开发母体；在对筛选2出的消声器进行性能评估时，也只是主观的对消声器的声学性能、空气动力性能与制造成本进行单一方面的评价，而这些性能指标往往又是相互矛盾的，没有形成从多角度综合评价消声器整体性能的体系，所以评价结果缺乏实质性的说服力。这种排气消声器设计和评价方法即浪费了人力物力，延长了产品开发周期，又达不到最佳综合性能效果。通过对目前国消声器设计特点的分析可以发现，实现排气消声器快速设计的关键是在提高设计系统智能化的前提下，有效地利用现有产品的设计信息资源和经验。基于实例的推理是人工智能中新崛起的一项重要推理方法，其

29、核心思想是在进行问题求解时直接利用以往的成功经验8。将它应用于汽车排气消声设计领域，就是在以往丰富的成熟设计实例基础上，根据设计目标的特点检索出最相似的实例，以此作为开发母体，并对其进行相应的修改后使其各项性能指标达到设计目标要求。这种基于实例的推理技术符合现今排气消声器设计人员进行变形设计的传统习惯和思维方式，是实现排气消声器快速设计的重要方法之一。因此，我们把基于实例的推理技术作为实现汽车排气消声器快速设计的主要手段，这对提高排气消声器设计效率和设计综合质量具有十分重要的意义。1.2 课题的国外研究现状1.2.1 消声器设计方法研究现状排气消声器是一种阻止声传播而允许气流通过的降噪装置，是

30、控制气流噪声的主要技术措施3。按照消声机理不同，可将消声器分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器和主动消声器四大类9。汽车排气消声器是多学科知识的有机结合体，涉与到气体流动、传热、振动、声学以与发动机性能和结构学等，具有一定的复杂性10。随着时间的变迁，排气消声器的设计由最初的单纯经验设计逐渐转向为设计理论+经验+计算机辅助工程+试验的多元化设计。1922 年，美国专家 Stewart 率先用声滤波器理论指导抗性消声器的设计，拉开了消声器设计理论研究的序幕11。20 世纪 50 年代起 Davis、Crocker、Igarashi 等人采用一维波动方程，利用截面突变处声压和体积速度连续条

31、件和等效电路方法，对消声器消声单元的四极参数矩阵进行了研究，建立了无气体流动条件下各种消声结构声波传递特性的理论公式1213。70 年代 DoigeAG 和Thawani P T 提出了存在气流影响时的声波传播理论14，才逐步建立起考虑气流的声波传递特性的理论计算问题，但仍然没有考虑温度梯度的影响。此后，随着对气流和温度的研究进一步深入，对利用传递矩阵法计算设计消声器才有较全面的论述。与此同时，数值方法随着计算机的发展而发展起来。1975年，Young和Crocker最先使用有限元法预测了膨胀腔消声器的传递损失15，1987 年，Munjal 用配点法3对矩形和圆形简单膨胀腔消声器进行了三维分

32、析16。在消声器设计理论方面，目前已建立了一维平面波理论、非声波法和特性线理论，并用声学边界元法建立了二维声学边界元消声器设计模型1718。由于一维声波理论在工程实践中往往难以满足要求，常常会出现较大偏差，所以边界元法与有限元法受到越来越多的重视，期间出现了大量运用三维声学、流体力学分析软件进行消声器性能分析与设计的研究和论文1920。在设计经验总结方面，1973 年，日本的福田基一推出的排气消声器容积计算的统计关系9；英国的 L.H.Billey 和美国的 Dean G.Thomas 经过对当时大量数据的总结，得出了对排气消声器容积的经验估算公式。国对排气噪声的研究起步比较晚，直到 1979

33、 年我国颁布执行机动车辆噪声标准后才开始进行，1989 年，林大渊等人分析整理了国外大量排气消声器的结构参数和性能指标，得出了插入损失、排气背压与容积比的近似比例关系21。2001 年，林辉江根据自身多年设计消声器的实践经验，对国外现有的排气消声器主要指标的经验公式进行了比对，并提出了精确度较高的排气消声器容积计算经验公式2223。在此期间，国学者对消声器的理论研究主要集中在各消声单元传递矩阵的修正和优化2425，进入 21 世纪，国大部分学者也开始采用有限元、边界元等方法进行数值模拟计算，但基本上是模仿国外的技术，通常只做定性分析，定量分析的较少，而且精度还不够高26-28。使用国际先进的设

34、计理念进行消声器的设计更是鲜有报道。目前，国外学者对排气消声器设计方法的研究主要集中在计算、优化和加快仿真速度上面，而忽视了选型过程的重要性。1.2.2 基于实例推理的设计方法研究现状基于实例的推理（Case-based Reasoning，CBR）是人工智能（ArtificialIntelligence，AI）领域新近崛起的一种区别于基于规则推理的推理模式，其推理过程与人类处理日常问题的推理活动类似，它来自人类的认知心理活动29。它是由目标实例的提示而得到历史记忆中的相似实例，并由相似实例来指导目标实例求解的一种策略30；它不需要设计人员从案例中提取规则，从而解决了知识获取的瓶颈，降低了知识获取的难度，解决问题的速度快。CBR 是人类三种思维（直觉、逻辑、创造性思维）的一种综合表现形式，适用于求解理论抽象较弱而经验性因素较强的设计领域。1982 年美国耶鲁大学 RogerSchank 教授在Dynamic Memory一书中详细描述了 CBR 的最早研究工作，并提出了在计算机上构建 CBR 的认知模型31。在 Schank 提出的理论基础上，GeorgiaTech 的 Janet Kolodner 在 1983 年开发了第一个基于 CBR 的应用系统 CYRUS32，它是一个进行各种旅行和会议的查询的问答式的专家系统。此后一段时间美国许多大学在