302_AVL EXCITE 软件在发动机机油盘结构噪声优化中的应用_长安_李凤琴

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A VL EXCITE软件在发动机机油盘结构噪声优化中的应用
李凤琴李占辉张磊艾晓玉薛军平
重庆长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院
(重庆, 400023)
摘要:针对某发动机在台架试验过程中出现的NVH问题,应用A VL EXCITE多体动力学软件和通用有限元软件、边界元软件软件,对发动机表面振动和噪声水平进行评估,重现了发动机的NVH弱点,找出机油盘是降噪关键点,并进行机油盘的结构优化,最终得到合格的产品。

台架试验结果证明了仿真优化方案的合理性。

关键词:机油盘振动噪声结构优化
主要软件:MSC.Nastran;A VL EXCITE;LMS Virtual. Lab;
1前言
随着对环境要求的不断提高和汽车工业的蓬勃发展,世界各国对汽车噪声污染的控制越来越严,人们对汽车舒适性的要求越来越高,汽车振动和噪声已成为衡量汽车性能的重要指标[1-3]。

发动机是汽车最主要的振动与噪声源,是否具有良好的噪声、振动和行驶平顺性(noise,vibration and harshness简写为NVH)现在已成为决定发动机能否被市场接受的重要条件。

随着发动机向高速、大功率、高效率方向的发展,解决发动机的排放和噪声污染显得更加迫切,因此,开展降低发动机噪声的研究具有十分重要的现实意义。

发动机噪声作为汽车的一个主要噪声源,而发动机三大罩壳(缸盖罩、正时罩和机油盘)又往往是主要的噪声辐射源[4,5]。

其中,机油盘的辐射噪声有时可占发动机总噪声的15%~ 22%[6]。

因此降低机油盘的辐射噪声对降低发动机整体噪声有着重要的意义。

对机油盘结构噪声进行优化主要采用虚拟预测方法[7,8,9],这种方法可以很好地对机油盘压痕筋的布置进行优化,从而改变机油盘的固有频率和振型,优化后机油盘辐射噪声得到了大幅度降低。

某发动机在台架试验中发现整机NVH性能较差,不能完全满足开发目标,需要整改。

本文应用有限元法(FEM)、多体动力学(MBS)和边界元法(BEM)相结合的虚拟仿真技术,对该发动机整机进行结构振动噪声分析,找出了机油盘就是噪声源,并对其进行优化分析,最终得到NVH性能较好产品。

台架试验结果证明了仿真优化方案的合理性。

2分析对象和方法
2.1 分析对象
试验用发动机为一款1.2L直列四缸四冲程纵置发动机,发动机参数如表1。

表1 发动机参数表
试验结果表明发动机本身的NVH水平较差,不能满足开发目标。

该纵置发动机搭载在
整车上存在60度的大角度倾斜,机油盘底面(大平面)与地面平行。

该机油盘为上、下体结构,上下体都是铝合金压铸制成,如图1。

上体结构较复杂,与地面平行的面(B面)较大,该面的内侧有少量加强筋与侧壁(C面)相连,同时,上体上附带有滤清器支座的作用,机油盘上体与缸体通过17颗M6螺栓连接,相邻安装孔间距为60-70mm(除后端两安装孔间隙为105mm),后端用1颗螺栓与变速器相连,增强了整机NVH性能;机油盘下体为平板(A面)结构,其中一面有少量加强筋,上体和下体之间通过15颗M6螺栓连接,相邻安装孔间距为60-90mm。

整体来看,机油盘刚度不好,辐射表面(A、B、C面)特别大,NVH问题较为突出。

图1 机油盘结构图图2 发动机结构振动噪声分析流程
2.2 分析方法
本文主要采用有限元法、多体动力学和边界元法相结合的方法,应用MSC.Nastran有限元软件、A VL EXCITE多体动力学软件和LMS Virtual. Lab边界元软件,对发动机结构振动和噪声辐射进行分析,找出产生噪声的关键位置,然后进行优化,其流程如图2。

第一步:动力总成有限元建模。

其重点在于通过准确的CAD数据和丰富的FE建模经验,得到能够反映实际状态的准确的有限元模型。

第二步:动力总成模态分析。

一方面可以验证网格模型的正确性,另一方面,可以初步判断动力总成各零部件的刚度特性,选出后期重点关注的零部件。

第三步:模态缩减。

得到加载点、关注点的质量、刚度和阻尼矩阵。

第四步:多体动力学分析。

在发动机各种激励力作用下进行动力总成响应分析,得到整机表面振动的速度级、加速度级,找出振动较大的薄弱位置,以进行结构优化。

同时获得声学分析的激励。

第五步:边界元声学分析。

得到动力总成的表面噪声辐射的声压级、声功率级等,找出噪声源,以进行结构优化。

3整机振动分析
3.1 分析模型
3.1.1 有限元模型
有限模型包括动力总成(发动机和变速器)所有零部件,如图3所示。

重要、关注零部件采用有限元网格,单元类型采用二阶四面体、六面体和壳单元,单元尺寸8-12mm ,单元总数54.8万,节点总数99.7万;部分小尺寸及非关注零部件简化为质量点,添加质量和转动惯量。

模型中坐标系定义如下:
(1)全局坐标系1:用于EXCITE 软件中建模,设定沿曲轴由前端轮系指向飞轮为X 轴,沿缸心线由油底壳指向缸盖罩为Z 轴,进气侧指向排气侧为Y 轴,坐标原点为曲轴第三主轴颈中心。

(2)机油盘局部坐标系2:与台架试验坐标系相同,用于机油盘结果数据读取以及与试验结果对比,设定沿曲轴由飞轮指向前端轮系为X 轴,垂直地面(与机油盘下体A 面平行)向上为Z 轴,进气侧指向排气侧为Y 轴,坐标原点为曲轴第三主轴颈中心。

两个坐标系Z 轴夹角60度,X 方向相反,Y 方向相同。

图3 动力总成有限元模型 图4多体动力学模型
3.1.2 多体动力学模型
采用A VL-EXCITE 软件建立动力总成多体动力学模型,软件界面如图4所示。

多体动力学模型主要包括以下几部分:
(1)载荷信息。

包括燃气压力(图5)、气门落座力、气门弹簧力(图6)、凸轮轴承力、正时激励、主轴承力、活塞敲击力。

变速箱载荷较复杂,一般进行单独研究,在此没有考虑。

载荷信息的准确性十分重要,这直接影响到最终计算结果的准确性。

一般来说,输入的载荷信息尽量使用试验结果,对于不能直接测量的载荷(如气门落座力)可通过精确的仿真分析得到。

本例中,除燃气压力来自于试验外,其它载荷都来自于各子系统仿真分析。

(2)零部件刚度、质量等信息。

主要包括发动机本体、连杆系、曲轴系等零部件模态缩减后,主节点的几何、自由度、刚度和质量信息。

(3)零部件间非线性连接。

包括曲轴与缸体的轴承连接、曲轴与连杆的轴承连接、活塞与缸套的导向连接、发动机本体与整车底盘间的悬置连接、输入轴与变速器之间的连接等。

(4)计算过程和结果输出控制。

机油盘上体
机油盘下体
图5 燃气压力示意图图6 气门弹簧力示意图
3.1.3 分析结果
3.1.3.1 动力总成模态分析结果
机油盘前三阶模态结果如图7所示。

观察图7的结果,机油盘一阶固有频率为620Hz,主要是机油盘下体A面和上体B面和C面的局部振动。

机油盘具有较大的辐射面积,因此,初步推断机油盘是主要的辐射噪声源之一,需要在后期振动计算中重点关注。

图7 机油盘前三阶模态模态示意图图8 额定转速动力总成表面速度级
3.1.3.2 动力总成振动分析结果
动力总成额定转速时表面速度级结果如图8所示。

通过观察可以发现,机油盘整个辐射面都有较高的振动速度级,尤其是A面,且最大值超过了120dB;其辐射声能必定偏大。

通过对图8的观察,选取机油盘下体A面、上体B面和上体C面上各一个关注点,分别位于三面板中部。

图9为整个转速下,三个关注点速度级Campbell图。

观察图9中的机油盘三个关注点,其最大响应都出现在辐射面的法向(Z向),并集中在500Hz-1000Hz频率范围内;机油盘下体A面的中心点683的Z向速度级响应最大,最大值出现在680Hz~740Hz的共振带内,超过120dB。

观察机油盘结构可以看出,其薄壁件结构的法向为Z向,其刚度低于其它两个方向,因此,振动速度级必然偏大,这与计算结果是一致的。

因此,后期对机油盘的优化,主要考虑提高Z向的刚度。

图9 机油盘关注点速度级Campbell 图
4 4 声学分析
表面振动速度分布只能给出结构振动强烈的部位,但是无法定量地确定其对整个发动机辐射声功率的贡献量。

因为声功率不但与结构表面振动速度有关,而且还取决于振动结构表面积的大小。

这时就需要进行贡献量分析,确定各个噪声源对整机声功率的贡献量大小,以识别出最主要的噪声源。

[10] 4.1 分析模型
动力总成声学分析应用声学边界元方法,在有限元模型的基础上生成动力总成边界元网格,将机油盘、前罩壳、缸盖罩、进气歧管、排气歧管和附件划分为6个不同的面板,按照动力总成在半消声室内1M 噪声测试标准的九点声压测试法布置场点,声学分析模型如图10所示。

(1)边界元模型及面板划分 (2)场点布置
图10 声学边界元模型
4.2 分析结果
将EXCITE 软件计算的载荷导入声学模型中,计算动力总成辐射声功率及面板贡献量,分析确定主要辐射声源,有针对性的进行结构优化。

动力总成辐射声功率曲线如图11所示,声功率曲线在3250rpm 和4250rpm 处存在峰值,。

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