趙俊男，王延陽(yáng)，張爽，李志廣，張治國(guó)，王雷

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

1 概述

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展和汽車擁有量的日益增加，汽車噪聲污染問(wèn)題越來(lái)越引起人們重視。汽車在行駛過(guò)程中受到發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響以及來(lái)自于路面的沖擊，所有的零部件都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，因此它是一個(gè)具有不同性質(zhì)噪聲的綜合噪聲源。其中車外噪聲是一個(gè)主要因素，以往研究表明，在轎車車外噪聲中，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲約占55%，隨著汽車噪聲標(biāo)準(zhǔn)的提高，國(guó)內(nèi)外汽車廠商都非常重視降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。

由于重量和布置限制要求，發(fā)動(dòng)機(jī)中大量使用罩、殼和蓋類零部件，這些薄壁件在激振力作用下會(huì)產(chǎn)生比較大的振動(dòng)而向外傳播輻射噪聲。排氣歧管隔熱罩（簡(jiǎn)稱隔熱罩）具有表面薄而大特點(diǎn)，而且又直接安裝在排氣歧管上，這樣一來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)本體的機(jī)械噪聲和排氣噪聲通過(guò)隔熱罩的擴(kuò)大作用而增強(qiáng)輻射噪聲。

本文以某款自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析，對(duì)兩種方案的隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析，對(duì)比相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性；再通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)一米噪聲測(cè)試驗(yàn)證，選出最優(yōu)方案；最后通過(guò)整車道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得項(xiàng)目組認(rèn)可。

2 排氣歧管隔熱罩有限元模型

本文采用兩種方案的隔熱罩進(jìn)行有限元分析，方案是單層厚度為1mmd的鍍鋁鋼板，方案2是雙層厚度為0.3mm的鋁板，隔熱罩內(nèi)外板用翻邊沖壓形式連接。為了在理論上準(zhǔn)確地對(duì)隔熱罩的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，須建立一個(gè)合理的幾何模型。本文是運(yùn)用 CATIA軟件曲面造型功能對(duì)兩種隔熱罩進(jìn)行建模，并嚴(yán)格地按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，未作任何簡(jiǎn)化。

將幾何模型導(dǎo)入CATIA中Advanced Meshing Tools 模塊，在Surface Mesh中劃分網(wǎng)格。由于隔熱罩是薄殼類零件，結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板材厚度，選擇二維殼單元中的四邊形單元?jiǎng)澐终麄€(gè)隔熱罩, 并對(duì)剛度較差部位及有應(yīng)力集中的過(guò)渡圓角處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，可以保證計(jì)算精度和速度，整個(gè)隔熱罩網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 隔熱罩網(wǎng)格劃分示意圖

3 基礎(chǔ)理論

在隔熱罩的模態(tài)分析中，可以將隔熱罩看成一個(gè)多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，其振動(dòng)微分方程式為：

式中：[M]、[C]、[K]分別為隔熱罩的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛性矩陣；分別為隔熱罩節(jié)點(diǎn)的加速度向量、速度向量和位移向量；{F(t)}為隔熱罩的激勵(lì)載荷向量。

由于隔熱罩的模態(tài)分析是在無(wú)外界激勵(lì)也無(wú)阻尼的條件下計(jì)算的，因此可以得出自由振動(dòng)方程為：

由于隔熱罩的自由振動(dòng)是一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加，由方程（2）可以得出：

式中，{A)}i為隔熱罩第i(i=l,2,..., n)階固有頻率對(duì)應(yīng)的特征向量，即隔熱罩的振型；ωi為隔熱罩第i階固有頻率(單位為 rad/s)。

由此可見，模態(tài)分析的核心內(nèi)容是確定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率和與之對(duì)應(yīng)的振型向量，隔熱罩的模態(tài)參數(shù)是由其結(jié)構(gòu)特性和材料特性決定，與外界載荷無(wú)關(guān)。同時(shí)，模態(tài)分析也是進(jìn)行譜分析、譜響應(yīng)分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析所必需的前期分析過(guò)程。在本文中，主要研究模態(tài)分析及頻率響應(yīng)分析的動(dòng)態(tài)特性。

4 動(dòng)態(tài)特性分析

4.1 自由模態(tài)分析

在自由模態(tài)分析中，模態(tài)提取計(jì)算方法采用蘭索斯法（Lanxzos）。方案1材料采用鋼板，密度為7.8E-09t/mm3，彈性模量為 140000Mpa，泊松比為0.3；方案2材料采用鋁板，密度為2.7E-09 t/mm3，彈性模量為70000 Mpa，泊松比為0.33。

通過(guò) CATIA對(duì)隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析，求解器分析計(jì)算后得到的前10階固有頻率對(duì)比結(jié)果如表1。在自由模態(tài)分析中，結(jié)構(gòu)的前六階是剛體模態(tài)，研究剛體模態(tài)沒有意義，因此只研究后四階相應(yīng)的振型。

表1 前10階固有頻率對(duì)比結(jié)果

方案1后四階的相應(yīng)的振型結(jié)果如圖2所示。

方案2后四階的相應(yīng)的振型結(jié)果如圖3所示。

圖3 后4階相應(yīng)的振型應(yīng)力云圖

由上述模態(tài)分析的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，雖然方案1固有頻率要高于方案2，但是方案2的振型結(jié)果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于方案1，傳遞振動(dòng)能力低于方案 1，只要通過(guò)了整車道路耐久試驗(yàn)，方案2可以被接受的。下一步計(jì)算頻率響應(yīng)分析，對(duì)比兩種方案在不同頻率下速度響應(yīng)曲線。

4.2 頻率響應(yīng)分析

對(duì)兩種隔熱罩進(jìn)行頻域響應(yīng)分析時(shí)，隔熱罩的本身結(jié)構(gòu)沒有變化。用之前進(jìn)行模態(tài)分析所建的有限元模型為基礎(chǔ)，在模型上施加激勵(lì)載荷。定義載荷激勵(lì)（Load Excitation）采用白噪聲（white noise modulation）限值調(diào)制，指定模型的工作頻段：0Hz-300Hz；分析步數(shù)：10。

通過(guò)CATIA對(duì)兩種隔熱罩進(jìn)行頻域響應(yīng)分析，求解器分析計(jì)算后得到的300Hz之前對(duì)應(yīng)的速度響應(yīng)值曲線對(duì)比結(jié)果如圖4。

圖4 300Hz之前對(duì)應(yīng)的速度響應(yīng)值曲線對(duì)比結(jié)果

由圖4可知，方案2對(duì)應(yīng)的速度響應(yīng)要好于方案1，尤其在150Hz以后更加明顯。當(dāng)外界對(duì)兩種隔熱罩激勵(lì)時(shí)，方案2吸收能量而產(chǎn)生變形的運(yùn)動(dòng)速度低，相應(yīng)的變形勢(shì)能隨之也降低，因此該方案減少了本身的傳遞振動(dòng)幅度和能量，降低對(duì)外界輻射噪聲，起到降噪作用。

5 噪聲驗(yàn)證

對(duì)上述兩種方案的隔熱罩進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架1米噪聲測(cè)試驗(yàn)證，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī) NVH臺(tái)架九點(diǎn)法測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)比在空載、半載和滿載工況下九點(diǎn)平均聲壓級(jí)（A計(jì)權(quán)）。

試驗(yàn)測(cè)得在空載、半載和滿載工況下九點(diǎn)平均聲壓級(jí)對(duì)比曲線如圖5所示。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在空載、半載和滿載工況下，方案 1的發(fā)動(dòng)機(jī)九點(diǎn)平均聲壓級(jí)平均分別要比方案 2平均高1dB(A)、1.2dB（A）和1.1dB(A)。綜上分析表明，方案2的隔熱罩能很好地降低振動(dòng)和噪聲，起到減震降噪作用。從工程應(yīng)用方面考慮，將方案2的隔熱罩樣件進(jìn)行整車道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)后沒有發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象（如圖6），該方案通過(guò)了耐久試驗(yàn)考核，得到了項(xiàng)目組的認(rèn)可。

圖5 在空載、半載和滿載工況下九點(diǎn)平均聲壓級(jí)對(duì)比曲線

圖6 整車道路試驗(yàn)后合格的樣件現(xiàn)場(chǎng)圖片

6 結(jié)論

本文以某款自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,運(yùn)用 CATIA軟件的有限元分析，對(duì)兩種方案的隔熱罩進(jìn)行模態(tài)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析，結(jié)果表明在自由模態(tài)中方案2的振型結(jié)果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于方案1；在頻率響應(yīng)分析中方案2對(duì)應(yīng)的速度響應(yīng)要好于方案1，尤其在150Hz以后更加明顯。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)一米噪聲測(cè)試驗(yàn)證表明，在空載、半載和滿載工況下，方案1的發(fā)動(dòng)機(jī)九點(diǎn)平均聲壓級(jí)平均分別要比方案 2平均高 1dB(A)、1.2dB（A）和1.1dB(A)，方案2的隔熱罩能很好地降低振動(dòng)和噪聲，該方案通過(guò)整車道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得項(xiàng)目組認(rèn)可。

[1] 黃博.CATIA 有限元分析模塊實(shí)例教程.交通出版社,2007,26-28.

[2] 張亞輝,林家浩.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ).大連理工大學(xué)出版社,2007.

[3] 趙汝嘉.機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析[M].西安交通大學(xué)出版社,1990.

[4] 李岳林.汽車排放與噪聲控制[M].人民交通出版社,2007.

[5] 李德葆.振動(dòng)模態(tài)分析及其應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,1989,4-15.

[6] 勒曉雄,張立軍,江浩.汽車振動(dòng)分析.同濟(jì)大學(xué)出版社，2002,90-113.

[7] 陳宇東.結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析.吉林大學(xué)出版社,2008,192-219.

[8] 袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社,2011,21-42.

[9] 江洪,陳德兵,趙金斗.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管罩降噪分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2007,21(2)：29-34.