趙俊男，趙世來，李艷宇，李志廣，張治國，王雷

（華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽 110141）

1 概述

隨著對汽車的性能要求日益提高，人們已不再單純地追求汽車的動力性和安全性，而更加的注重汽車的舒適性。雖然發(fā)動機(jī)作為汽車行駛的動力來源，一直以來被稱為汽車的“心臟”，但同時(shí)也是汽車噪聲的主要來源之一。因此，發(fā)動機(jī)的振動和噪聲問題研究越來越引起重視。發(fā)動機(jī)是一個(gè)包括各種不同性質(zhì)噪聲的綜合噪聲源，按噪聲輻射的方式，主要噪聲源可分為：進(jìn)、排氣噪聲，風(fēng)扇噪聲和表面輻射噪聲。在表面輻射噪聲中，薄壁件輻射噪聲占有相當(dāng)大的比例。

排氣歧管隔熱罩（以下簡稱隔熱罩）本身具有壁薄和表面平而大的特點(diǎn)，由直接地安裝在發(fā)動機(jī)排氣歧管上，在發(fā)動機(jī)機(jī)械振動和燃燒后氣體沖擊波的激勵(lì)下引起其表面敏感部位的較大振動而向外輻射噪聲。通常降低輻射噪聲的直接又有效地措施就是增加阻尼和橡膠材料，但是由于發(fā)動機(jī)工作時(shí)其表面溫度很高，限制了該措施應(yīng)用。因此，結(jié)構(gòu)改進(jìn)是抑制排氣歧管隔熱罩噪聲輻射的有效途徑。

圖1 排氣歧管隔熱罩外形照片

本文以某款小排量的發(fā)動機(jī)排氣歧管隔熱罩為研究對象，運(yùn)用有限元分析技術(shù)，對幾種方案隔熱罩進(jìn)行自由模態(tài)分析，對比隔熱罩的固有頻率和振型；再進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架輻射噪聲測試驗(yàn)證，通過聲壓級對比分析確定最優(yōu)方案；最后將最優(yōu)方案的隔熱罩搭載整車道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 振動分析的物理模型

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動分析，首先第一步就是把所研究的對象以及外界對它的激勵(lì)簡化為理想的物理模型，結(jié)構(gòu)之所以會產(chǎn)生振動，是由于結(jié)構(gòu)本身具有質(zhì)量、彈性和阻尼。從能量關(guān)系看，質(zhì)量可以儲存動能，彈性可以儲存勢能，阻尼則消耗能量（動能和勢能）。當(dāng)外界對結(jié)構(gòu)激勵(lì)時(shí)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量吸收動能則產(chǎn)生使結(jié)構(gòu)將變形的運(yùn)動速度，彈性儲存變形位置的勢能則使結(jié)構(gòu)恢復(fù)原來狀態(tài)的能力。像這樣，能量不停地轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)圍繞它的平衡位置做反復(fù)運(yùn)動(振動)。當(dāng)外界的激勵(lì)不是源源不斷的輸入，由于阻尼消耗能量，振動現(xiàn)象將逐漸停息。因此，質(zhì)量、彈性和阻尼是振動物理模型的三大要素。質(zhì)量是表示力與加速度的關(guān)系，在模型中可以簡化為剛體；阻尼是表示力和速度的關(guān)系，在模型中理想化為線性阻尼系數(shù)；彈性是表示力和位移的關(guān)系，在模型中理想化為線性彈性系數(shù)（剛度）。本文涉及的隔熱罩采用雙層鋁板結(jié)構(gòu)，內(nèi)外板通過翻邊沖壓方式連接的。根據(jù)隔熱罩實(shí)際的安裝情況，建立了簡化后的結(jié)構(gòu)振動物理模型如圖1。m1、k1、c1為隔熱罩內(nèi)板質(zhì)量、剛度和阻尼；m2、k2、c2為隔熱罩內(nèi)板質(zhì)量、剛度和阻尼；x1、x2分別為內(nèi)外板的位移；F1(t)、F2(t)分別為內(nèi)外板的激振力。

圖2 結(jié)構(gòu)振動物理模型

2.2 振動分析的數(shù)學(xué)模型

將隔熱罩內(nèi)外板看作在兩個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系下描述其質(zhì)量在空間位置的結(jié)構(gòu)，因此實(shí)際結(jié)構(gòu)可以簡化成二自由度系統(tǒng)模型，其運(yùn)動微分方程為：

此方程為二自由度有阻尼振系自由振動運(yùn)動微分方程。

在本文中，主要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由模態(tài)分析，研究結(jié)構(gòu)的固有頻率和各階振型。通過對比幾種方案的各階振型應(yīng)力分布圖，選取最優(yōu)方案。

3 有限元模型的建立

本文目標(biāo)隔熱罩有 4種設(shè)計(jì)方案，分別為雙層厚度0.3mm的鋁板、厚度0.3mm的內(nèi)板+厚度0.5mm外板、雙層厚度0.5mm的鋁板，單層厚度0.8mm的鋁板，而這4種方案曲面造型設(shè)計(jì)一致。在研究分析隔熱罩的過程中，運(yùn)用的軟件為CATIA V5，該軟件具有強(qiáng)大的曲面造型功能和CAE分析功能。運(yùn)用CATIA V5創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊，根據(jù)空間布置要求設(shè)計(jì)目標(biāo)隔熱罩，為了更快、更有效地計(jì)算和分析，對該模型簡化處理，提取兩片曲面，組成三維曲面模型。再運(yùn)用在CATIA V5分析和仿真模塊中先進(jìn)網(wǎng)格劃分工具對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，隔熱罩采用四邊形殼單元，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)17455，單元格數(shù)17143，如圖2所示。

隔熱罩的內(nèi)外板材料密度為 2.7E-09t/mm3，彈性模量為70000Mpa，泊松比為：0.33；

由于隔熱罩內(nèi)外板由沖壓翻邊形式連接的，為了降低模態(tài)求解技術(shù)難度大，暫時(shí)不考慮不同鋁板之間的接觸和摩擦效應(yīng)，根據(jù)翻邊位置，將內(nèi)外板邊緣直接進(jìn)行剛性約束。

4 自由模態(tài)分析

自由模態(tài)，是指結(jié)構(gòu)不受任何外界載荷和約束的作用,在自由狀態(tài)下而計(jì)算得到的模態(tài)，用于分析結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的振動強(qiáng)度。一般來說，對于實(shí)際工作過程中，低級振動對結(jié)構(gòu)的破壞要比高階振動較大，因此將分析隔熱罩自由模態(tài)的前十階振型。

在自由模態(tài)分析中，由于結(jié)構(gòu)的約束條件不足，結(jié)構(gòu)發(fā)生剛體運(yùn)動，固有頻率接近零，本文計(jì)算結(jié)果中的前六階就是剛體模態(tài)，研究剛體模態(tài)沒有意義，因此忽略了對前六階研究。運(yùn)用 CATIA軟件對四種方案隔熱罩進(jìn)行自由模態(tài)分析，模態(tài)提取計(jì)算方法采用蘭索斯法。

求解計(jì)算后得到方案1的前10階固有頻率和對應(yīng)的振型結(jié)果如表1。

方案1的后四階振型應(yīng)力云圖如圖4所示：

圖4 方案1的后四階振型應(yīng)力云圖

方案2的前10階固有頻率和對應(yīng)的振型結(jié)果如表2。

表2 前10階固有頻率和相應(yīng)的振型結(jié)果

方案2的后四階振型應(yīng)力云圖如圖5所示：

圖5 方案1的后四階振型應(yīng)力云圖

方案3的前10階固有頻率和對應(yīng)的振型結(jié)果如表3。

表3 前10階固有頻率和相應(yīng)的振型結(jié)果

方案3的后四階振型應(yīng)力云圖如圖6所示：

圖6 方案1的后四階振型應(yīng)力云圖

方案4的前10階固有頻率和對應(yīng)的振型結(jié)果如表4。

表4 前10階固有頻率和相應(yīng)的振型結(jié)果

方案4的后四階振型應(yīng)力云圖如圖7所示：

圖7 方案1的后四階振型應(yīng)力云圖

由振型應(yīng)力云圖可知，四種方案的振型基本一致，隨著材料厚度增加，對應(yīng)的固有頻率也提高。進(jìn)一步計(jì)算得到四種方案的后四階最大變形量對比如圖8。

圖8 四種方案的后四階最大變形量對比

通過對比四種方案的最大變形量可知，方案2和3要優(yōu)于方案1和4。選取方案2和3制作樣件，進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架輻射噪聲測試驗(yàn)證。本試驗(yàn)依據(jù)《發(fā)動機(jī) NVH臺架九點(diǎn)法測試標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行麥克風(fēng)測點(diǎn)位置布置如圖9。在噪聲試驗(yàn)中，屏蔽進(jìn)排氣管口噪聲，冷卻水溫控制范圍為 85±5℃，艙內(nèi)濕度20-45%，背景噪聲25dB(A)。分別測試無隔熱罩方案、方案2和3在空載、半載和滿載工況下發(fā)動機(jī)聲壓級（A計(jì)權(quán)）。在試驗(yàn)完成后，得到發(fā)動機(jī)聲壓級對比曲線如圖10所示。

圖9 麥克風(fēng)測點(diǎn)位置布置

圖10 發(fā)動機(jī)聲壓級對比曲線

通過發(fā)動機(jī)聲壓級對比曲線可知，方案2發(fā)動機(jī)聲壓級要好于方案 3，尤其滿載工況下，方案2近場噪聲比方案 3低1.7dB（A），4500rpm以前表現(xiàn)明顯。

將方案2隔熱罩搭載樣車進(jìn)行整車道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。在試驗(yàn)完成后，檢查隔熱罩的情況，沒有發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象（如圖 11），功能正常，該零件通過了耐久試驗(yàn)考核。本方案得到了項(xiàng)目組的認(rèn)可，并通知了供應(yīng)商進(jìn)行開模生產(chǎn)，保證了整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)度。

圖11 整車道路試驗(yàn)后合格的樣件現(xiàn)場圖片

5 結(jié)論

本文以新開發(fā)的發(fā)動機(jī)排氣歧管隔熱罩為研究對象，充分運(yùn)用CATIA軟件的曲面造型功能和CAE分析功能，對四種方案隔熱罩自由模態(tài)分析，研究固有頻率和對應(yīng)的振型，對比相應(yīng)的最大變形量，再通過發(fā)動機(jī)臺架輻射噪聲測試驗(yàn)證，選出最優(yōu)方案，并制作最優(yōu)方案的樣件，通過了整車七萬公里道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。本方案得到了項(xiàng)目組的認(rèn)可，并通知了供應(yīng)商進(jìn)行開模生產(chǎn)，保證了整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)度。

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