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文档简介
1、基于LMSVirtualLabAcoustics的发动机结构噪声预测作者:邓晓龙李修蓬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LMSVirtualLab/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,V
2、ibrationandHarshness;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VirtualLab/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
3、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VirtualLab/Acoustic进行噪声预测。2结构噪声预测理论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Mii+CM-i-Ku=F(z)!(1)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*
4、为加速度向量。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=3/c,w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dp/dn=iwpvn,式中,p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eL,-;1,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
5、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)=2n;当P点在辐射声场中时,C(P)=4n。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=Dpvn,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
6、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bidErar1!IlhiZCit1Ccrrcl1iii6:-d2f!=:-rr:d3j1XlBAM-TiII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
7、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。CylinderPressure图7发动机爆发压力llvuGENPiston1图8作用在活塞顶部的爆发压力5004CICIw30U-200t100上Cambearsng!JOOOJ0180270360460占加620720Time/Cranftangledeg图9进气凸轮轴对轴承座的作用LinerTS-如00-1saoo-8000-10000-12000-1pfl3u.wm引00002酣.000167z停怦OnkMxbry图12lOOOrpm时表面振动速度(500Hz)4结构噪声预测4
8、.1声学边界元模型建立在VirtualLab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VirtualLab/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lOOOrpm时边界单元节点的振动速度(25Hz)。图13边界元网格图141000rpm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lOOOrpm工作时,251000Hz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。fr-34自prez史Ampituclsde.5284B.3,315OnBOiridary图1520Hz的辐射噪声图16500Hz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
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