陳小兵　楊英慧　陳俊杰（湖南省汽車技師學(xué)院　湖南　邵陽　422000）

基于形貌優(yōu)化的柴油機油底殼減振設(shè)計

陳小兵楊英慧陳俊杰
（湖南省汽車技師學(xué)院湖南邵陽422000）

摘要：油底殼的振動作為發(fā)動機噪聲的主要來源，其振動特性直接影響發(fā)動機整體噪聲性能。通過對柴油機油底殼計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)比較分析，驗證有限元模型正確性，結(jié)合形貌優(yōu)化分析方法，對油底殼進行改進。結(jié)果表明：優(yōu)化后油底殼1階模態(tài)振幅明顯降低，且振動區(qū)域相對于優(yōu)化前趨于均勻。油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化后頻率明顯提高，其中1階頻率提高幅度最大，提高幅值達到89 Hz，比例達到32.2%。優(yōu)化后油底殼剛度有大幅度增加，其中1階增加比例達到75.6%，9階以及10階增加幅度達66.6%與57.7%。

關(guān)鍵詞：油底殼形貌優(yōu)化振動模態(tài)分析剛度

引言

發(fā)動機是汽車主要的振動源和噪聲源之一，其表面振動和輻射噪聲不僅向車外輻射噪聲，而且對車身結(jié)構(gòu)件的振動和輻射噪聲影響也很大，繼而直接影響整車駕乘舒適性能。因此發(fā)動機的振動噪聲控制成為發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的又一熱點。在發(fā)動機表面輻射噪聲中，薄壁構(gòu)件（包括油底殼、缸蓋罩和正時齒輪室蓋等部件）輻射噪聲占相當(dāng)大的比例，其中油底殼的輻射噪聲約占總輻射噪聲的15%~ 30%。有效控制油底殼的輻射噪聲，對減小振動和降低發(fā)動機噪聲水平具有重要意義。

油底殼是由薄板制造而成，剛度小，面積大，很容易與跟它相連的發(fā)動機體發(fā)生共振，輻射噪聲較大。張俊紅等[1]建立模態(tài)計算模型，識別對油底殼輻射噪聲較大的振動頻率，并對油底殼進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得油底殼噪聲有所降低，優(yōu)化后噪聲減小了2.79dB（A）。王奇文[2]結(jié)合有限元和邊界元方法對油底殼振動進行預(yù)測，通過改變油底殼材料對油底殼設(shè)計進行研究，結(jié)果表明；采用復(fù)合阻尼材料在中高頻段有很好的降噪效果。袁兆成等[3]總結(jié)了結(jié)構(gòu)參數(shù)與油底殼振動模態(tài)的關(guān)系，為油底殼的低噪聲設(shè)計提供了有效的模型與數(shù)據(jù)。FEV公司對油底殼進行模態(tài)測試，分析了油底殼振動規(guī)律，并結(jié)合實驗方法對油底殼進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]。都靈理工大學(xué)Delprete等在改變油底殼不同位置材料厚度布置上多次優(yōu)化來提高油底殼的固有頻率，結(jié)合不同的油底殼模型對優(yōu)化結(jié)果進行驗證[5]。福特汽車公司對塑料油底殼的NVH特性進行了研究，對新型材料油底殼的設(shè)計開發(fā)提供了選擇和思路[6]。

發(fā)動機零部件基于“CAD設(shè)計-虛擬樣機-虛擬試驗-模型修改”計算機流程的現(xiàn)代設(shè)計方法相比“圖紙設(shè)計-物理樣機-試驗-圖紙修改”的傳統(tǒng)開發(fā)設(shè)計周期顯著縮短[7~9]，但現(xiàn)代設(shè)計方法模型需要多次嘗試修改，優(yōu)化設(shè)計過程附有較大的主觀性。

隨著優(yōu)化設(shè)計軟件的不斷發(fā)展完善，出現(xiàn)了一些新的優(yōu)化設(shè)計方法。這些優(yōu)化設(shè)計方法主要是通過提高某一階固有頻率為目標進行形貌優(yōu)化，確定加強筋的最優(yōu)分布，從而降低油底殼振動噪聲。通過對柴油機油底殼有限元模型分析，結(jié)合形貌優(yōu)化分析方法，對油底殼進行改進，提高了油底殼的剛度與固有頻率，對油底殼的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1　形貌優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

形貌優(yōu)化是一種在板形結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強筋分布的概念設(shè)計的最佳化方法，用于設(shè)計薄壁結(jié)構(gòu)的強化壓痕，以滿足強度、頻率等要求。設(shè)計變量、目標函數(shù)和約束條件組成形貌優(yōu)化三要素。設(shè)計變量是在優(yōu)化過程中發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)；目標函數(shù)是要求的最優(yōu)設(shè)計性能，是關(guān)于設(shè)計變量的函數(shù)。約束條件是對設(shè)計的限制，是對設(shè)計變量和其他性能的要求[10]。

優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型可以表述為：

最小化：

約束條件：

式中：X=x1，x2，…，xn是設(shè)計變量；f（X）是目標函數(shù)；g（X）是不等式約束函數(shù)；h（X）是等式約束函數(shù)；L為上限，U為下限。目標函數(shù)f（X）、約束函數(shù)g（X）與h（X）是從有限元分析中得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。設(shè)計變量X是一個矢量，它的選擇依賴于優(yōu)化類型。在形貌優(yōu)化中，設(shè)計變量為形狀擾動的線性組合因子。

2　有限元模型建立

油底殼材料參數(shù)如表1所示。

表1　油底殼材料參數(shù)

油底殼有限元模型采用三邊形殼單元，共有25695個節(jié)點，25608個單元，如圖1所示。在每個螺栓孔處創(chuàng)建一個REB2，對應(yīng)的約束施加在相應(yīng)的REB2上。在油底殼的頻率響應(yīng)分析過程中，要盡可能準確地設(shè)定約束條件，以求仿真結(jié)果正確性。

圖1　油底殼有限元模型

3　有限元結(jié)果分析

油底殼1階約束模態(tài)如圖2所示，從圖中可知，油底殼儲油底部呈現(xiàn)向內(nèi)凹進的振型，最大幅值達到0.9mm；2階約束模態(tài)如圖3所示，油底殼臺階儲油處呈現(xiàn)向外凸的振型；圖4為油底殼4階約束模態(tài)云圖，整體呈現(xiàn)向機體主推力面同向的振動。

圖2 1階模態(tài)

結(jié)合以上結(jié)果可知，油底殼振動主要部位發(fā)生在其底面與壁面位置，因此對油底殼機構(gòu)優(yōu)化應(yīng)從油底殼底面及壁面著手。

圖3 2階模態(tài)

圖4 3階模態(tài)

表2是實驗?zāi)B(tài)和計算模態(tài)頻率對比，由表可知，實驗?zāi)B(tài)和計算模態(tài)頻率值最大誤差為6.9%，表明模型有較好的精度，可以進行下一步計算。

表2　實驗?zāi)B(tài)與計算模態(tài)結(jié)果對比

4　油底殼形貌優(yōu)化結(jié)果

4.1油底殼形貌優(yōu)化

油底殼結(jié)構(gòu)剛度越大，同樣的激振力作用下產(chǎn)生的振幅越小，噪聲越低。提高系統(tǒng)的靜剛度是提高系統(tǒng)動剛度的一種方法。要提高系統(tǒng)的靜剛度，通常采用局部加筋的方法來實現(xiàn)。形貌優(yōu)化方法可在板型結(jié)構(gòu)中快速確定加強筋的最佳布局，在減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時滿足強度和頻率等要求。

形貌優(yōu)化是對結(jié)構(gòu)的某個目標函數(shù)，如頻率、質(zhì)量和體積等物理量進行最優(yōu)化的求解。由于要提高結(jié)構(gòu)剛度，因此文中選擇固有模態(tài)頻率為優(yōu)化目標函數(shù)。把模態(tài)頻率最大化設(shè)為目標函數(shù)，定義翻邊以外的側(cè)面和底面部分為設(shè)計區(qū)域，最小筋寬設(shè)為15 mm，起筋角度60°。最大起筋高度12mm，并且設(shè)定筋的分布相對于結(jié)構(gòu)中間面對稱。

圖5為油底殼底部作為優(yōu)化區(qū)域，優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，最終得到優(yōu)化前后模型如圖7所示。

圖5　油底殼優(yōu)化區(qū)域

圖6優(yōu)化結(jié)果

a）優(yōu)化前模型

圖7　優(yōu)化前后油底殼結(jié)構(gòu)對比

4.2優(yōu)化結(jié)果分析

油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各階振型云圖如圖8～10所示。由圖8可知，優(yōu)化后油底殼1階模態(tài)振幅明顯降低，且振動區(qū)域相對優(yōu)化前趨于均勻。圖9、10中油底殼振動均為油底殼壁面，且振動方向相反。比較優(yōu)化前后模態(tài)云圖可知，油底殼底部振幅區(qū)域減小，底部2階模態(tài)振動最大位置由原來底部轉(zhuǎn)為油底殼壁面，且振動幅值大幅度減小。

圖8 1階模態(tài)

圖9 2階模態(tài)

圖10 3階模態(tài)

油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后各階振型頻率對比如表3和圖11、12所示。由表3和圖11可知，油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化后頻率明顯增加，其中1階頻率增加幅度最大，增加幅值達到89Hz，比例達到32.2%。說明優(yōu)化后對提高油底殼固有頻率有顯著作用。

表3油底殼優(yōu)化前后頻率比較

圖11　優(yōu)化前后油底殼頻率對比

圖12　優(yōu)化前后油底殼頻率增加比例

結(jié)合圖12可知，油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化對前10階頻率中3階與7階影響較小，對其它階影響卻較大。

油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后剛度對比如表4所示。由表4可知，優(yōu)化后油底殼剛度有大幅度增加，結(jié)合表2，剛度增加較大階次與頻率增加階次相對應(yīng)，其中1階增加比例達到75.6%，9階以及10階增加剛度達到66.6%與57.7%。

5　結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有柴油機油底殼約束模態(tài)，并對現(xiàn)有柴油機油底殼進行了形貌優(yōu)化，對比了優(yōu)化前后油底殼頻率及剛度變化。結(jié)論如下：

1）油底殼儲油底部呈現(xiàn)向內(nèi)凹進的振型，最大幅值達到0.9 mm；2階約束模態(tài)油底殼臺階儲油處呈現(xiàn)向外凸的振型；油底殼4階約束模態(tài)整體呈現(xiàn)向機體主推力面同向的振動。

2）優(yōu)化后油底殼1階模態(tài)振型振幅明顯降低，且振動區(qū)域相對優(yōu)化前均勻。油底殼2、3階振動均為油底殼壁面，且振動方向相反。比較優(yōu)化前后模態(tài)，油底殼底部振幅區(qū)域減小，底部2階模態(tài)振動最大位置由原來底部轉(zhuǎn)為油底殼壁面，且振動幅值大幅度減小。

3）油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化后頻率明顯提高，其中1階頻率提高幅度最大，提高幅值達到89 Hz，比例達到32.2%。說明優(yōu)化后對提高油底殼固有頻率有顯著作用。油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化對前10階頻率中3階與7階影響較小，對其它階影響卻較大。

4）優(yōu)化后油底殼剛度有大幅度提高，結(jié)合表2，剛度提高較大階次與頻率提高階次相對應(yīng)，其中1階提高比例達到75.6%，9階以及10階提高剛度達到66.6%與57.7%。

參考文獻

1張俊紅，王健，劉海，等.基于多目標形貌優(yōu)化方法的低噪聲油底殼研究 [J].振動、測試與診斷，2014，34（3）：467～472

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中圖分類號：TK422

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0074-05

收稿日期：（2015-01-22）

作者簡介：陳小兵（1979-），男，講師，主要研究方向為發(fā)動機故障診斷。

A Design of Low-Vibration Diesel Engine Oil-Pan Based on Topography Optim ization

Chen Xiaobing，Yang Yinghui，Chen Jun jie
Hunan Automotive Technician College（Shaoyang，Hunan，422000，China）

Abstract：The vibration of the oil pan,which is regarded as themain source of engine noise，directly impacts on engine noise performance.In this paper,the correctness of the finite elementmodel has been verified by comparing the computingmodalwith experimentalmodal.The oil pan structure was improved based on the topography optimization.The results show that the first modal vibration amplitude was significantly reduced,and the vibration area is relative equally distributed.The vibration frequency of oil pan was significantly increased after optimizing the structure.The increased amplitude of firstmodal frequency is the sharpest，which has reached to 89Hzand the ratio reached to 32.2%.Afteroptimizing the structure，the stiffness of oil pan was increased.The first order stiffness increase 75.6%，and the ninth，tenth order increase66.6%and 57.7%respectively. Keywords：Oilpan，Topography optimization，Vibration，Modalanalysis，Stiffness