基于有限元法的汽车排气消声器性能分析

现代设计与先进制造技术贾骁李舜酩衡芳明等基于有限元法的汽车35基于有限元法的汽车排气消声器性能分析贾骁，李舜酩，衡芳明，江星星，张袁元，丘水应生南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016摘要为有效降低某汽车的排气噪声，以其消声器为研究对象，运用有限元前处理软件HYPERMESH建立了消声器流场与声场模型，基于有限体积法分析了消声器内部流场特征，获得声场计算的温度、流速等边界条件，运用LMSSYSNOISE计算消声器声学性能，分析了传递损失频率特性，为该消声器的改进与优化设计提供了依据。关键词汽车；排气消声器；有限元；流体性能；传递损失中图分类号TK411文献标识码A文章编号16721616201223003504发动机噪声是汽车噪声的主要组成部分，它是由多种声源发出的噪声组合而成的，主要包括空气动力噪声和结构噪声。空气动力性噪声主要由进气噪声、排气噪声，以及其他的如增压器和风扇引起的气流噪声等组成；结构噪声主要是结构受到燃烧激振力和机械激振力的作用，产生表面振动而形成的噪声。在发动机的噪声源中，一般排气噪声约占总噪声的30，是所有噪声源中所占比例最大的一个，比其他的整机噪声高出L0一L5DB，在对汽车进行噪声控制时，必须对排气噪声采取措施，即进行排气消声器设计。因此，设计制造低噪声汽车，研制性能良好的消声器是汽车设计人员的重要任务之一。随着计算机的发展，新材料、新技术的成熟与应用，消声器的设计方法也日趋完善。应用现代仿真技术进行消声器设计，特别是有限元方法，不仅可以模拟任意复杂的消声器，而且计算结果准确性好，可以实现在短时间内对多个方案进行设计和分析，从而有效指导试验工作，既减低成本，又提高试验效率，缩短开发周期。1消声器基本理论11理想流体媒介中的声波方程声波传播的一般情况涉及三维空间，下面给出三维空间内在理想流体媒质中声波传播的一般关系。声场的特征可以通过媒质中的声压、质点速度和密度的变化量来表示。为了使问题简化，必须对媒质和声波方程作出如下假设1媒质为理想流体，即媒质中不存在粘滞性，声波在这种理想媒质中传播没有能量耗损。2没有声扰动时，媒质在宏观上是静止的，同时媒质是均匀的，因此媒质中静态压强P。、静态密度P。都是常数。3声波传播过时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的。4媒质中传播的是小振幅声波，各声学参量都是一级微量，即声压P甚小于媒质中静态压强P。；质点速度甚小于声速C。，质点位移甚小于声波波长A；媒质密度增量甚小于静态密度P。111连续方程连续方程就是质量守恒定律，即单位时间内进出流体介质微团的质量之差等于微团内质量的变化率。方程为一P。71A112运动方程运动方程是由牛顿第二定律推导而得，即作用于流体微团上的合力，等于流体微团的动量变化率。方程为VPP。27POXFAYJAZK3L，VXFVZK4式中7P是声压在空间声场分布的梯度；，是质点振动速度J。113物态方程声波在理想媒质中传播时没有热交换，因此可以列出一定质量的理想气体的绝热物态方程为收稿日期20120516作者简介贾骁1990一，男，河南濮阳人，南京航空航天大学本科生，专业为车辆工程。362012年12月中国制造业信息化第41卷第23期业C塑5OTOTC7PO0YRT6式中为比热比，对于空气，Y14；尺为通用气体常数。故声速C20571。114波动方程由上述3个基本方程，可以导出波动方程为CV7D42P式中拉普拉斯算子的取值分为3种情况。直角坐标系V乓乓乓AAYA柱面坐标系VR杀10202球面坐标系V10ORROR1RSIN10212消声器性能的评价指标消声器的性能评价指标主要有3项消声量、消声频率范围及阻力损失。121消声量评价排气消声器的消声量常使用插入损失和传递损失2种参数。插入损失定义为安装消声器前后固定测点处的声压级或总声压级、频带声压级之差，即L，JP一LP2201GDB8式中，为安装消声器前后在某给定点的声级，DB；P，P为安装消声器前后在某给定点的声压，PA。传递损失，J定义为消声器入口处入射声能与出EL处透射声能之比，即LTLLW2L0LG了II12。LG；DB9式中L表示入射声功率级，DB；L表示透射声功率级，DB；，为入射声强，WM；，2为透射声强，WM；P为人射声压，PA；P为透射声压，PA。122消声频率范围消声器的频率特性即消声器在各频率或频带上的消声量，一般以倍频程和13倍频程来表示，进行较深入的分析时也可用窄带谱来表示。消声频率范围就是指消声量显著的频率或频带，这方面没有统一的定量评价指标，一般要求所消声的有效频带范围越宽越好，在人敏感的频率范围应有足够的消声量，声源辐射噪声大的频段应有较大的消声量，这样可以使消声降噪的效果比较好。123阻力损失对于车用排气消声器，通常用功率损失比来评价消声器的空气动力性能，它反映了消声器的阻力损失对内燃机性能的影响。消声器的功率损失比定义为内燃机在标定工况下不装消声器时的功率P。与装消声器后的功率P之差与不装消声器时功率的比值，即1】。10一般要求功率损失R5。此外，还可以用压力损失来评价消声器的空气动力性能从而间接地评价其功率损失。压力损失通常指消声器入口和出口的全压差。2消声器性能仿真21三维几何模型的建立本文研究的排气消声器包括进气管、消声器本体和排气管，消声器本体为圆柱状，包括前穿孔内插管、中穿孔内插管和后穿孔内插管，内部由4个圆形隔板将其分为5个腔室。从发动机排气管排出的高速气流通过进气管进入前穿孔内插管，大量气流经由前穿孔内插管流入第四腔膨胀，收缩进入后穿孔内插管，经排气管排出；少部分气流通过小孔流人第一腔、第二腔和第三腔进行膨胀，通过中穿孔内插管收缩排入第五腔，最终经后穿孔内插管及排气管排出。在UG中建立的消声器三维几何模型如图1所示1一进气管；2一消声器本体；3一前穿孔内插管；4一中穿孔内插管；5一隔板；6一后穿孔内插管；7排气管图1排气消声器三维几何模型22消声器流体性能分析针对复杂排气肖声器内部气流的特点，建立适合复杂排气消声器的流体有限元模型。采用有限智能控制技术刘旭明吴敏杭阿芳基于PID的液体恒定控制系统75D80，各参数采用凑试法，按照“参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长；理想曲线2个波，前高后低4比1；一看二调多分析，调节质量不会低”的经验口诀进行参数整定，最终得到如图6所示程序中的PID各参数值。三菱PLC的PWM脉宽调制指令为PWMS1S2D，其中S1指定脉冲的宽度O32767MSS2指定脉冲的周期132767MS；D指定输出脉冲的元件号Y0或Y1。程序中的脉宽调制指令为PWMD80K5000Y0，D80为PID计算后的输出值，K5000为脉冲周期，即5O00MS。最后在YO端输出占空比随D80变化的脉冲信号，使固态继电器驱动加热棒按照此脉冲信号周期间歇工作，从而不断趋近于设定的目标值。4结束语该系统利用PID控制原理，应用三菱PLC的PID控制指令，对液体的温度、压力、流量及液位进行恒定控制，设计了系统框架和实际电气结构，对主要设备进行了选型，并在液体模拟混合装置上进行了系统的调试运行。触摸屏上的显示结果表明，系统的实际运行值与设置目标值误差非常小，可以为实际的工程技术应用提供借鉴与参考，具有一定的理论与实际应用价值。参考文献1郁汉琪电气控制与可编程序控制器应用技术M南京东南大学出版社，20092黄建伟基于PLC的恒压供水系统设计J工矿自动化，20081083853吴启红变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术M北京机械工业出版社，20074韩兆祥，李学英，万鑫，等利用PLC和触摸屏实现多阶段PID温度控制J实验技术与管理，2008656595张还三菱FX系列PLC设计与开发M北京机械工业出版社，2009THELIQUIDCONSTANTCONTROLSYSTEMBASEDONPIDLIUXUMING，WUMIN，HANGAFANGJINGLINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY，JIANGSUNANJING，211169，CHINAABSTRACTITPUTSFORWARDTHELIQUIDCONTROLSYSTEMOFCONSTANTPARAMETERSSUCHASTEMPERATURE，VOLTAGE，CURRENTANDLIQUIDLEVELBASEDONPIDTHESYSTEMUSESTHESENSORTODIGITALSIGNALSTODETECTTHECONVERTSANALOGSIGNALSANDPROCESSWITHPIDMETHOD，OUTPUTSTODRIVELOADTHISADJUSTSLIQUIDPARAMETERSTOACHIEVESTEADYSTATUSTHERESULTSHOWSTHATTHESYSTEMPARAMETERSETTINGISSIMPLE，LESSERRORFLUCTUATION，STABLEOPERATIONANDITCANFULLYSATISFYTHEACTUALPRODUCTIONREQUIREMENTKEYWORDSPIDCONTROL；PLC；CONSTANTCONTRO1上接第47页4杨庆佛内燃机噪声控制M太原山西人民出版社，19855袁兆成，丁万龙排气消声器的边界元仿真设计方法J吉林大学学报，2004，1L23213256马大猷噪声与振动控制工程手册M北京机械工业出版社，20027YOSHIHIROISSHIKI，YUZURUSHIMAMOTO，TOMOYUKIWAKSIMULTANEOUSPREDICTIONOFPRESSURELOSSESANDACOUSTICCHARACTERISTICSINSILENCERSBVNUMERICALSIMULATIONCSOCIETYOFAUTOMOTIVEENGINEERSPROCEEDINGSOFTHE1996SAEINTERNATIONALCONGRESSEXPOSITION，FEBRUARY，2629，1996，DETROIT，MICHIGANWARRENDALESAEC19961578李增刚SYSNOISEREV56详解M北京国防工业出版社2005PERFORMANCEANALYSISOFEXHAUSTMUFFLERBASEDONFEMJIAXIAO，LISHUNMING，HENGFANGMING，JIANGXINGXING，ZHANGYUANYUAN，QIUSHUIYINGSHENGNANJINGUNIVERSITYOFAERONAUTICSANDASTRONAUTICS，JIANGSUNANJING，210016，CHINAABSTRACTINORDERTOEFFECTIVELYREDUCETHEEXHAUSTNOISEOFACAR，ITUSESTHEFINITEELEMENTPREPROCESSINGSOFTWAREHYPERMESHTOESTABLISHAFLOWFIELDMODELANDANACOUSTICFIELDMODELOFTHEMUFFLERANALYZESTHECHARACTERISTICSOFMUFTIERINTERNALFLOWFIELDBASEDONFINITEVOLUMEMETHODOBTAINSTHEBOUNDARYCONDITIONSFORACOUSTICFIELDCALCULATIONSUCHASTEMPERATUREANDVELOCITYBASEDONLMSS