梁永勤 張軍

摘要：以某發(fā)動機動力總成為對象，采用多參考點最小二乘復頻域法，通過模態(tài)試驗測得振動響應(yīng)，以獲得發(fā)動機模態(tài)參數(shù)及振型。同時采用有限元-多體動力學-邊界元相結(jié)合的方法，對其聲場和表面振動速度進行預測。結(jié)果表明：該發(fā)動機前四階模態(tài)主要以彎曲和繞X軸一階扭轉(zhuǎn)為主，發(fā)動機輻射噪聲能量及表面振動主要集中在進、排氣側(cè)，頻帶為450～650Hz。研究結(jié)果為發(fā)動機設(shè)計改進提供依據(jù)，對發(fā)動機設(shè)計具有較強的實用價值。

Abstract： Taking a certain engine powertrain as the object， using the multi-reference point least squares complex frequency domain method， the vibration response is measured through modal tests to obtain engine modal parameters and vibration shapes. At the same time， the combination of finite element-multibody dynamics-boundary element method is used to predict the sound field and surface vibration velocity. The results show that the first four modes of the engine are mainly bending and first-order torsion around the X axis， and the engine radiated noise energy and surface vibration are mainly concentrated on the intake and exhaust sides， with a frequency band of 450 Hz to 650 Hz. The research results provide a basis for the improvement of engine design and have strong practical value for engine design.

關(guān)鍵詞：動力總成;模態(tài)分析;輻射噪聲;振動預測

Key words：powertrain;modal analysis;radiation noise;vibration prediction

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0070-03

0? 引言

發(fā)動機動力總成是汽車的主要噪聲振動來源之一，其特性將直接影響汽車的NVH（noise，vibration and harshness），對發(fā)動機動力總成的設(shè)計和優(yōu)化需確定準確的模態(tài)參數(shù)，為后續(xù)有限元-多體動力學聯(lián)合仿真確定準確有效的仿真模型。張武等對動力總成懸置系統(tǒng)運行模態(tài)進行了研究[1]，指出多參考點最小二乘復頻域法對密集模態(tài)系統(tǒng)參數(shù)識別精度較高。張云俠在對3100QB柴油機體模態(tài)分析中指出，模態(tài)分析是下一步的發(fā)動機設(shè)計及優(yōu)化的基礎(chǔ)工作，意義重大[2]。Ugur Olmez對某柴油發(fā)電機進行了模態(tài)分析和噪聲預測，獲得了發(fā)電機組的高頻噪聲頻率范圍。對發(fā)動機及其主要零部件進行模態(tài)分析，設(shè)定一定的目標值[4-6]，在設(shè)計階段就能夠從減振降噪的出發(fā)點改善發(fā)動機結(jié)構(gòu)，縮短設(shè)計開發(fā)周期，取得較好的結(jié)果。

因此，本文以某發(fā)動機為研究對象，建立起動力總成多參數(shù)點模態(tài)分析模型，分析其模態(tài)振型及模態(tài)參數(shù)，同時運用有限元模型、多體動力學模型相結(jié)合[7-8]，使用邊界元法對發(fā)動機噪聲頻率及表面振動進行了分析，為下一步的發(fā)動機減振降噪優(yōu)化提供指導。

1? 發(fā)動機有限元模型的建立及驗證

1.1 有限元模型的建立

本文研究的為某四缸發(fā)動機，發(fā)動機三維模型如圖1所示。將整機分為九個總成：曲軸系總成，缸體總成，缸蓋總成，缸蓋罩，正時蓋，油底殼，變速箱，進、排氣系統(tǒng)等。

發(fā)動機主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

本文對發(fā)動機三維模型劃分網(wǎng)格采用二階四面體單元，單元大小平均為6～8mm。主軸頸上設(shè)定5個主自由度節(jié)點，均勻分布于軸瓦寬度內(nèi);曲柄銷上設(shè)定一個主自由度節(jié)點。網(wǎng)格劃分完后，缸體有單元373967個，節(jié)點653759個，曲軸總成有單元100082個，節(jié)點175363個。發(fā)動機總計有單元1281984個，節(jié)點數(shù)2305926個。

1.2 模態(tài)分析

將發(fā)動機賦予材料屬性并采用LANCZOS方法對模型進行模態(tài)求解，提取0～1200Hz范圍內(nèi)固有頻率。為檢驗有限元魔性的準確性和計算模態(tài)的有效性，對發(fā)動機總成進行了試驗模態(tài)分析。

動力總成采用懸吊裝置并在軟件中設(shè)置多個測點，測點基本反映了動力總成的輪廓特征并將測點按照實際位置建立連接，動力總成試驗現(xiàn)場和分析模型如圖2所示。

試驗模態(tài)和計算模態(tài)結(jié)果如表2所示。

對比試驗模態(tài)與計算模態(tài)分析結(jié)果，可見動力總成與模態(tài)誤差在8%以內(nèi)，說明建立的發(fā)動機有限元模型能夠表現(xiàn)動力總成的動態(tài)特性，模型可以用于下一步的分析。

2? 多體動力學模型的建立和求解

以發(fā)動機激勵為輸入，在EXCITE中建立發(fā)動機多體動力學模型，如圖3所示，模型包括發(fā)動機機體、曲軸總成及部件間相互約束等關(guān)鍵因素。

采用多體動力學與有限元方法相結(jié)合的方法，求解機體表面振動速度，通過發(fā)動機模型表面振動速度可以反映不同頻率下動力總成振動較大的位置，在630Hz時動力總成表面振動速度如圖4所示。

由圖4可知，振動速度最大的位置主要分布在發(fā)動機進、排氣兩側(cè)。

3? 發(fā)動機聲場及表面振動分析

為計算動力總成的輻射噪聲，通過EXCITE得到表面振動速度后，將震動結(jié)果作為聲學計算的聲源，建立場點網(wǎng)格作為聲學接收端，各個方向距發(fā)動機表面50cm，同時在距機體表面1m處分別在正時罩、變速箱、油底殼、缸蓋罩、進氣側(cè)和排氣側(cè)放置麥克風，分布如圖5所示。

對發(fā)動機在最大扭矩點和額定功率點各麥克風進行分析，提取出聲壓級最大峰值點，其對應(yīng)頻率和聲壓級如表3所示。

由表3可知，最大扭矩點和額定功率點最大聲壓級低于90dBA，其最大聲壓級頻率主要為450Hz和693Hz。

針對發(fā)動機在最大扭矩點和額定功率點在聲壓級峰值處的頻率段，計算相近頻率處整機表面振動速度級，如圖6所示。從圖6中可以看出，頻帶范圍內(nèi)發(fā)動機進氣、排氣及油底殼前端面振動速度最大，因此通過對進排氣及油底殼的優(yōu)化可以有效降低在最大扭矩點和額定功率點的振動，減小發(fā)動機噪聲。

4? 結(jié)論

①本文利用有限元軟件建立了某四缸發(fā)動三維模型，并實際通過模態(tài)試驗驗證了分析模型的合理性。同時以多體動力學仿真模型與有限元模型相結(jié)合，計算得到了發(fā)動機在最大扭矩點和額定功率點在聲壓級最大對應(yīng)相近頻率處的整機表面振動級。

②本文的分析方法，可以在發(fā)動機設(shè)計階段就先期參與，為后期方案改進提供參考依據(jù)，從而加快開發(fā)速度，縮短設(shè)計周期，具有較強的工程應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]張武，陳劍，陳鳴.汽車動力總成懸置系統(tǒng)多工況運行模態(tài)試驗研究[J].中國機械工程，2013，24（022）：3118-3123.

[2]張云俠.3100QB柴油機機體結(jié)構(gòu)靜力與模態(tài)CAE分析研究[M].昆明理工大學，2002.

[3]Olmez U，? Bayhan N， H Do■an， et al. Detection of Structural Vibration-Induced Noises with Modal Analysis in Diesel Generators.? 2019.

[4]Van d V W C P，? Prbsting S，? Van Zuijlen A H， et al. Numerical and experimental investigation of a beveled trailing-edge flow field and noise emission[J]. Journal of Sound & Vibration， 2016： 113-129.

[5]陳培煥.SUV整車結(jié)構(gòu)噪聲特性分析與優(yōu)化[D].華南理工大學，2016.

[6]裴志海，錢益明，周沖.基于TB的某SUV車內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)噪聲優(yōu)化[C]// 第十四屆中國CAE工程分析技術(shù)年會.

[7]王立聰.基于約束阻尼結(jié)構(gòu)的車身NVH性能分析與優(yōu)化研究[D].燕山大學，2019.

[8]發(fā)動機耦合共振噪聲研究[J].內(nèi)燃機與配件，2020（21）：20-21.