周維,許亞峰

(華晨汽車工程研究院動力總成綜合技術(shù)處，遼寧沈陽 110104)

0 引言

長久以來在消音器設(shè)計領(lǐng)域，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法是在多種設(shè)計方案中進行比較分析，或者是針對一套方案的某一結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。這樣不僅無法找到最優(yōu)的設(shè)計方案，也受制于工程師的經(jīng)驗，而且增加了開發(fā)成本?，F(xiàn)代DOE(Design of Experiment)是一門以應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、計算機輔助建模為基礎(chǔ)的“基礎(chǔ)模型優(yōu)化”的前沿科學(xué)，它通過科學(xué)地安排實驗方案，正確地分析實驗結(jié)果，盡快獲得最優(yōu)方案[1]。

作者將DOE方法引入到消音器設(shè)計優(yōu)化過程中，應(yīng)用GT-Power建立發(fā)動機熱力學(xué)和聲學(xué)分析模型，利用DOE設(shè)計消音器聲學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，迅速找出獨立變量和相關(guān)變量的關(guān)系，確定最優(yōu)的消聲結(jié)構(gòu)，大大縮短優(yōu)化時間[2]。

1 原始消音器結(jié)構(gòu)及存在的問題

在初始設(shè)計中，原排氣系統(tǒng)中、后消音器模型分別如圖1、圖2所示。通過整車測試，測得的排氣系統(tǒng)聲學(xué)特性與仿真結(jié)果對比如圖3—5所示。

圖1 中消音器結(jié)構(gòu)

圖2 后消音器結(jié)構(gòu)

圖3 尾口噪聲測試結(jié)果

圖4 尾口噪聲計算結(jié)果

圖5 排氣背壓計算結(jié)果(kPa)

從圖3、圖4可以看出:在3 000 r/min內(nèi)尾管總聲壓級、2階及4階仿真結(jié)果與實際測試有很高的吻合度，特別是4階1 600～2 100 r/min范圍內(nèi)超出目標(biāo)線的峰值也可以從仿真中體現(xiàn)出來;6階、8階與實測值差異較大，原因在于軟件基于一維平面波理論開發(fā)、對于一些高頻噪聲計算有理論缺陷，搭建的發(fā)動機模型及排氣系統(tǒng)有幾何誤差。因此次測試的問題點已經(jīng)從仿真中體現(xiàn)出來，所以這里也就不再對模型進行標(biāo)定[3-4]。此次測試的冷端背壓為20 kPa，通過對模型的標(biāo)定使背壓的仿真結(jié)果與實測值吻合，作為后續(xù)優(yōu)化方案的對標(biāo)模型來確保背壓在控制范圍內(nèi)。

針對4階噪聲超出目標(biāo)線的峰值，計劃在原方案的基礎(chǔ)上，采用模擬計算結(jié)合DOE的方法，對設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整，以滿足NVH性能要求。

2 基于DOE的消音器參數(shù)化設(shè)計

2.1 排氣系統(tǒng)調(diào)音的變量

決定排氣系統(tǒng)聲學(xué)優(yōu)劣主要有以下幾個方面：

(1)發(fā)動機的設(shè)計與標(biāo)定。氣缸個數(shù)、排量、氣門升程曲線，排氣溫度、缸壓、點火時刻影響聲源的強度。

(2)Y-形管長度。V型發(fā)動機不同的Y-形管長度決定半階次和點火階次的等級。

(3)消音器和催化轉(zhuǎn)化器的容積。消音器和催化器的總?cè)莘e是決定排氣系統(tǒng)插入損失最關(guān)鍵的因素。

(4)消音器的位置和數(shù)量。幾個小容積的消音器要比一個相同容積的消音器更好，因為消音器連接管路更短，產(chǎn)生駐波的概率降低。

(5)消音器內(nèi)部設(shè)計。在以上條件的限制下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計決定哪些頻率被削弱或者通過，這也是調(diào)音最后的機會。

作者從以往項目經(jīng)歷以及相關(guān)聲學(xué)理論中總結(jié)以下優(yōu)化方向:(1)消音器容積增大可以提高中、低頻消聲性能；(2)排氣系統(tǒng)管道(消音器內(nèi)以及連接管、尾管等)可以提高中、低頻消聲性能；(3)合理的赫爾姆茲共振腔參數(shù)可以提高中、低頻消聲性能；(4)赫爾姆茲共振腔壁上打幾個小孔，可以提高中、低頻(非共振腔消聲頻率)消聲性能；(5)排氣管道中增加堵頭時，可以提高中、低頻消聲性能；(6)尾管長度和走向影響中、低頻噪聲；(7)吸音材料的填充可以提高中、高頻消聲性能；(8)雙尾管可以提高中、高頻消聲性能；(9)部分穿孔消音器的消聲頻率隨穿孔率增大而增大。

2.2 中、后消音設(shè)計方案

此套排氣系統(tǒng)中消音器結(jié)構(gòu)簡單，只起到輔助消聲作用，因此中消音器結(jié)構(gòu)保持不變，只對后消音器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

在后消音器中，依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗選取L、D1、D2為可變參數(shù)，如圖6所示，可變參數(shù)變化范圍見表1。

圖6 后消音器結(jié)構(gòu)

表1 可變參數(shù)范圍 mm

根據(jù)DOE設(shè)計原則，取各因素最高、最低水平共進行了27次試驗，布點方式如表2所示。在GT-Power軟件的DOE模塊中可一次完成所有試驗的仿真。

表2試驗組合方案

2.3 GT-Power計算結(jié)果

DOE的計算是針對每個轉(zhuǎn)速下不同因素組合的計算結(jié)果，這里作者選擇問題轉(zhuǎn)速2 000 r/min的計算結(jié)果。從圖7、圖8中可以看出D1=51 mm、D2=45 mm、L=70 mm時4階聲壓級最低，是此次計算的最優(yōu)方案。針對該方案作者單獨做一次全轉(zhuǎn)速下噪聲水平(見圖9)，同時采用定常流分析法預(yù)測管徑變細帶來的壓力損失，冷端背壓預(yù)計升高為22 kPa[5]。

圖10為消音器幾何參數(shù)D1、D2、L以及它們的二次項和交互項對消聲量的影響，其中D1對結(jié)果影響較小，在后期優(yōu)化過程中可忽略D1。

圖7 L與D1因數(shù)2 000 r/min下4階噪聲

圖9 尾管噪聲計算結(jié)果

圖10 消音器參數(shù)主效應(yīng)圖(2 000 r/min)

3 整車測試結(jié)果

優(yōu)化方案搭載整車測試，測試條件為3擋-WOT，距離尾口500 mm(45°)，測試結(jié)果如圖11所示，所有曲線均在目標(biāo)值以下，其中全階、二階、四階的仿真結(jié)果與實測結(jié)果也比較吻合，證明了該發(fā)動機模型和優(yōu)化方法在排氣噪聲開發(fā)過程中有足夠的精度和可操作性。

圖11 尾管噪聲測試結(jié)果

4 結(jié)論

(1)仿真結(jié)果的問題重現(xiàn)，是解決實際問題的前提，在關(guān)鍵問題點和聲學(xué)趨勢上如果與實際問題吻合便可以確定優(yōu)化方向及聲學(xué)方案篩選。

(2)排氣系統(tǒng)背壓測試在發(fā)動機臺架進行，噪聲測試在整車上完成，以實際工程經(jīng)驗來看，兩者的冷端入口溫度有很大差異，所以文中背壓計算采用定常流分析法[5]，輸入臺架實測溫度和流量，計算結(jié)果準(zhǔn)確度極高。

(3)DOE設(shè)計方法雖然可以一次完成所有計算，但也存在計算量過大、周期較長等缺點，后期可根據(jù)計算結(jié)果確定各參數(shù)貢獻量，提高優(yōu)化效率。

參考文獻:

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