基于有限元和边界元法的油底壳低噪声结构设计

1、2008年6月农业机械学报第39卷第6期基于有限元和边界元法的油底壳低噪声结构设计方华王天灵李盛成【摘要】采用有限元法和边界元法联合求解技术进行了柴油机油底壳结构振动和表面噪声的数值模拟研究,建立了油底壳的有限元模型和半消声室辐射声场边界元模型,通过模拟计算提出了增加材料阻尼和提高结构刚度两个方面改进设计方案。结果表明,随着阻尼的增大,高频噪声降低明显;提高结构刚度,可以减小表面振动,但同时辐射效率也会增大。并通过试验验证了计算的正确性。关键词:油底壳噪声控制设计有限元法边界元法中图分类号:T K421+16文献标识码:ADesign on Low Noise Structure of Oil

2、 Pan B ased on FEM and BEMFang Hua Wang Tianling Li Shengcheng(Jili n U niversity ,Changchun 130025,Chi na AbstractThe combination of FEM and B EM can adequately bring into play their advantages in thenumerical simulation of diesel engine oil pan ;its structure vibration and radiated noise were stud

3、ied.The FE model and semi 2anechoic room B E model were built ,the improving designs were put forward by simulation statistics from increasing of damp and structure rigidity.The results showed that the high noise was reduced obviously with damp increasing ;the calculation results showed that vibrati

4、on would reduce and the radiation efficiency was increased by the improvement of the structure rigidity.Comparing the results of experiment and calculation ,we found out that both of them have the same trend ,so the simulation was verified.K ey w ords Oil pan ,Noise control ,Design ,FEM ,B EM 收稿日期:2

5、007206229方华吉林大学汽车工程学院教授,130025长春市王天灵吉林大学汽车工程学院副教授李盛成吉林大学汽车工程学院助理研究员引言油底壳的辐射噪声有时可占发动机总噪声的15%22%1。因此降低油底壳的辐射噪声对降低发动机整体噪声有着重要的意义。本文利用有限元法和边界元法对油底壳的结构振动和表面噪声进行模拟研究,采用有限元分析软件ANSYS 建立油底壳的有限元模型,并进行动态响应分析,得到表面的位移响应,同时采用噪声分析软件SYSNO ISE 建立油底壳的声场边界元模型,对声功率进行计算,并研究阻尼以及结构刚度变化对噪声的影响规律。1油底壳辐射声场模型根据油底壳的结构参数及材料参数,建立

6、的有限元模型1如图1所示,进行了谐响应分析,得到了油底壳在螺栓加速度谱激励下的位移响应,作为辐射声场边界元分析的计算边界。建立了油底壳边界元的半消声室模型如图2所示,图中的半球形网格为按照ISO37441994要求建立的域点网格,半径为1145m 。图1油底壳的有限元计算模型Fig.1FE model of oil pan 图2油底壳的半消声室边界元模型Fig.2Semi 2anechoic room BE model2材料阻尼的变化对油底壳辐射噪声的影响金属材料的阻尼值是很低的,钢、铁材料的损耗因子为1×10-46×10-4,而由两块钢板之间夹有非常薄的黏弹性高分子材料构

7、成的复合阻尼金属板材的损耗因子一般在013以上。因此,在=5×10-4015之间选取了为010005(原型、0105、011、012、015分别进行谐响应分析和辐射声功率计算,结果及分析见图36 。图3输出声功率频谱曲线Fig.3Curves of active output power图4声辐射效率频谱曲线Fig.4Curves of radiation efficiency输出功率以复数形式存在,其实部以辐射声能的形式向外传播,称有功声功率,而虚部则只在原地作声能振荡,不向外传递功率,称无功声功率。本文中的输出功率均指有功声功率。声辐射效率表征了有功声功率占整个输入功率的比例,等

8、于有功声功率与输入功率的比值。由图3、图4可以看出,输入和输出声功率级随损耗因子的增大都呈减小趋势,也即随着阻尼的增大,表面振动和辐射噪声都将减小,但趋势渐缓;而且,随着阻尼的增大,高频噪声降低明显,300Hz 以下频率范围输入、输出声功率均变化不大 。图5输入和输出声功率级随损耗因子的变化曲线Fig.5Changing curves of input power and outputpower along with loss factor图6声辐射效率随损耗因子的变化曲线Fig.6Changing curves of radiation efficiency alongwith loss f

9、actor声辐射效率随频率的增大总体上有增大的趋势,当阻尼增大时尤为明显。图6中,总的声辐射效率随阻尼的增大,表现先降后升的趋势,在011左右时达到最小。这是因为,随着阻尼的增大,高频噪声明显降低,使得低频噪声逐渐占主导地位,而激励在230Hz 最大2,所以,随着阻尼的增大,共振频率移向低频,越来越靠近激励频率,共振的强度越来越大,能量向外辐射的越来越多,所以输出的能量占输入能量的比例增大,即辐射效率增大。3结构刚度的改变对辐射噪声的影响根据底面和左右侧面贡献率较大以及峰值频率点的法向速度云图,在底面和左右侧面加工出凹槽以提高刚度。改进设计如图7所示。图中深色的部位即为修改部位 。图7油底壳的

10、结构改进设计模型图Fig.7Improvement model of oil pan(a 改进前(b 改进后利用该模型,采用原机的油底壳螺栓激励进行谐响应分析,然后再进行辐射噪声计算。输出声功率和辐射效率的计算结果如图8和图9所示。81农业机械学报2008年 图8改进型与原型的频谱比较Fig.8Frequency spectrum of the original and redesigned model(a 输出声功率级(b 辐射效率图9改进型与原型的声功率级及声辐射效率比较Fig.9Active output power level and radiation efficiencyfor t

11、he original and redesigned model由图可知,在小于300 Hz 的范围内,原型和改进型的输出及辐射效率基本相等,而在原峰值频率点345、460、900Hz 处,改进型的输出有显著降低,但在大于750Hz 的范围内又出现了多个峰值频率,尤其是785Hz 处的振幅很大。综合的结果导致加筋后总的辐射声功率级降低116dBA 。原峰值频率点的辐射效率明显增大,说明结构刚度的提高导致辐射效率增大。表1输出声功率比较T ab.1Comparison of active pow ersdBA 原型加筋差值 87.6287.560.06图10原型与改进型的固有频率的比较Fig.1

12、0Comparison of the original and redesigned modes由图10可知,当频率大于300Hz 时,改进型的固有频率大于原型,所以,刚度增大,辐射效率增加。这是因为慢速的模态较快速的模态在正负体积速度交界区域的抵消作用更大3。因此,在为了减小表面振动而提高结构刚度的同时,相应的辐射效率也会增大,所以二者应互相兼顾,只有那些能大幅度降低振动,而辐射效率又增加不多的措施才会使总的辐射声功率有所降低,从而达到降低噪声的目的。为此,提出加中间横隔板的油底壳模型,称为隔板模型,如图11所示。计算结果如表2所示。图11带有中间横隔板的油底壳模型Fig.11Model o

13、f oil pan with cross plate表2输出功率比较T ab.2Comparison of active pow ersdBA 原型隔板模型差值87.6286.980.64由表可知,隔板模型总的输出功率较加筋模型有较大降低,最高达3189dBA 。4试验验证试验在半消声室中进行,由于是做对比试验且改进目的是降低车外噪声,参照文献4,在距柴油机1m 处的前面、两侧和顶面放置4个传声器,比较其平均声压级曲线。测量噪声时,发动机全负荷,转速在8002300r/min 之间均匀加速。记录时间30s 。分别测4次。各点声压级曲线如图12所示,图中粗实线为原机数据,细实线为装有不加筋复合9

14、1第6期方华等:基于有限元和边界元法的油底壳低噪声结构设计钢板油底壳的改进型数据。由图可知,装有不加筋复合钢板油底壳的改进型有明显的降噪效果 。图12发动机各侧面原机和改进型声压级曲线Fig.12SPL curves of the sides for the original and redesigned models(a 后部(b 右侧(c 前部(d 左侧5结束语增大阻尼可以较大幅度地降低辐射噪声,因此复合钢板油底壳有明显的降噪效果;提高结构刚度,在设计合理的情况下也有明显效果,但对复合钢板油底壳,认为此时的振动主要是强迫振动,提高局部刚度也无明显效果,应在减小激励和提高整体刚度方面采取措施。通过试验与计算结果的比较可知,模拟计算结果与实测数据具有相同的趋势,说明所提出的模拟计算方法的正确性,改进设计方案的可行性。参考文献1钱人一.汽车发动机噪声控制M .上海:同济大学出版社,1997.2方华,王天灵,李盛成.柴油机油底壳辐射声场的仿真研究J .噪声与振动控制,2007(5:115118.Fang Hua ,Wang Tianling ,Li Shengcheng.Simulation on the radiated sound field of oil pan for the diesel engineJ .Noise and Vi