AVL EXCITE用于车辆降噪的发动机仿真

AVL EXCITE用于车辆降噪的发动机仿真
作者：AVL List Harald Pramberger 蓝军
[摘要] 噪声和振动工程已成为汽车工业扩大市场的重要因素。

不用置疑，在中国为区别产品优劣和满足外部噪声法规，NVH（噪声、振动和粗暴）问题越来越重要。

与配置良好的工程试验方法一道，发动机噪声辐射和振动的仿真已频繁应用于发动机的开发过程中。

仿真的基本方法仍然在不断发展，并获得稳步提高。

本文着重讨论发动机计算声学的当前常用方法，并展望新方法和新技术，可在不久的将来应用在发动机和车辆的开发过程中。

概述
为减少城市环境的噪声污染，并满足不断增长的舒适性要求，需要低噪声的车用发动机和动力总成。

因此在设计阶段，需要适用广泛的仿真方法和软件工具，来分析噪声的产生和传递至机体或总成的复杂物理现象。

AVL EXCITE正是为这些应用而开发的，它结合杰出的仿真技术，可实现发动机动力学和噪声的仿真计算，获得接近真值的理想结果[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。

1 前言
当车辆在公路上高速行驶时，风声和轮胎噪声是主导的，但在城镇中使用时，发动机则是最重要的噪声源。

由于法规旨在降低城镇环境噪声污染，故低噪声发动机是降低车辆噪声的重要手段。

测量技术已在过去的时间里得到发展、应用和报道。

由加窗及随后的其它处理方法，可成功获取单一噪声源，进而估计单一噪声源在车辆行驶总噪声中的主导贡献，包括考虑噪声源辐射的方向性、传播和反射，或使用车辆近场大型麦克风阵[4]。

可确定的单一噪声源常来自发动机表面、油底壳、齿轮箱表面、排气口、排气消声器、排气管、进气口、进气管表面以及轮胎（与道路）等。

图1 为一实例。

图1 行驶噪声源分析实例
图2 显示了世界范围产柴油机的1 米噪声级的典型范围，测量依据DIN45636 (SAE
J1074)。

额定转速下汽油机噪声的典型范围和绝对噪声级与此相似。

在低速低负荷下，汽油机噪声级一般会比相当的柴油机小10dB 以上[5]。

图2 世界范围产柴油机典型的1m 噪声级，根据DIN 45636 (SAE J1074)
在无严格噪声法规的地区，发动机噪声差异巨大，非常先进的低噪声概念发动机噪声在下限，而技术过时的发动机噪声在上限。

图3 为一典型的声强测量结果，可有效获得发动机声学特征，并确定单个部件对声功率的贡献[5]。

图3 声强测量结果，获得单个部件对声功率的贡献
在发动机辐射噪声源中，有许多不同的激励机理。

主要激励源是燃烧噪声，即脉动气缸压力导致的振动直接激励轴系振动，另外惯性力、活塞敲击力、配气机构和正时驱动、以及齿轮箱部件等也引起轴系和动力总成的振动。

从全局或局部对激励响应、激励传递和噪声表面辐射的角度来看，动力总成的结构同样重要。

再有，不同激励力和不同的动力总成部件都强烈影响辐射噪声频率范围。

因此，发动机声学优化应主要瞄准整个动力总成，考虑激励力、全局结构振动和所有部件的局部振动。

发动机基本振动可通过测量和模拟仿真来了解[1]。

低频段，大约到第7 倍频程，气体力和
轴系惯性力是最主要的因素；高频机械噪声中，活塞敲击噪声，配气机构和正时驱动，齿轮箱部件成为主导因素。

曲轴箱的概念和设计决定了动力总成的全局振动行为以及轴系激励至机体表面的传递。

最后，如油底壳、阀盖等部件的表面局部振动也影响噪声辐射。

2 发动机导致的车辆外部噪声的仿真
2.1 基于有限元法的发动机NVH 仿真
当前广泛使用的发动机有限元仿真是发动机开发过程中有效而重要的技术，可用来确定降低NVH 的潜力。

图4 为简要框图，用于探测发动机NVH 的改进潜力。

基于三维CAD数据、材料数据、基本发动机数据等，可建立用于NVH 计算的有限元模型。

对现有原形的发动机，可使用模态分析结果来校验有限元模型。

同时，如燃气压力、齿轮系、配气机构和活塞敲击等激励力可计算得到，并施加在有限元模型上。

图4 用于探究发动机NVH 改进潜力的数值仿真简要框图
利用有限元模型和计算所得激励力，可计算得到发动机基本结构在不同工况下的动力学行为，如：不同频段的表面速度彩图，发动机悬置的速度和位移，曲轴行为，半球空间噪声辐射等。

针对得到的关键问题，可修改结构和/或激励，调整仿真模型并重新计算动力学行为。

这些“优化循环”可理想地趋向确定目标，如图4 所示。

依靠严格的边界条件，如发动机设计参数和计算获取的激励，基于有限元分析的发动机NVH 改进潜力的探究，基本上大约需10 人月的工作量，参见图4。

采用“并行过程”，即通过开发过程中的并行合作可有效缩减工作量。

图5 显示计算得到的一8 缸轿车用发动机的表面振动级。

“强迫振动”计算结果清楚显示了预测的高噪声辐射的关键区域。

然后提出降低振动级和辐射噪声的设计和/或激励的修改方案。

仿真目标就是最终获得外表面振动级均匀分布的结构。

图5 计算得到的8 缸轿车发动机的倍频程(1000Hz)表面振动级(dB)
发动机有限元结构优化仿真是当前的常用技术，并集成于发动机的开发过程中。

要完全并行执行“设计”和“有限元NVH 仿真”，理论上仍比较困难，因为“设计完成”是建立可靠仿真模型的“必不可少的条件”。

当前，利用有限元仿真工具的改进进程一般从“设计完成”开始，
即：NVH 仿真的工作阶段一般与第一台样机制造并行开始。

3 行驶噪声模拟
近来AVL 进行了广泛的研发工作，开发出基于发动机、进排气噪声源的车辆行驶噪声的仿真方法[4]。

使用该新方法，可在首个车辆原形制造前预测车辆模型发出的噪声。

使用基于边界元分析的数值工具，可仿真计算车辆行驶噪声。

图6 显示了由发动机噪声导致的一轻卡的行驶噪声级的计算结果。

所使的边界元模型定义了6000个线性单元。

图6 一轻卡在125Hz 下的辐射声压
与一般的车辆有限元模型相比，该“经单元缩减的”边界元模型的计算量非常小。

然而该边界元模型的简化是有针对性的，可获得有一定限制的结果内容。

当前技术水平下，“整体系统水平”的车辆噪声仿真是难以进行的，即模型要考虑所有噪声源和所有相关结构特征。

然而当前数值方法可使用不同的应用模型，来共同为NVH 改进潜力提供有价值的信息。

当前的研究活动正瞄准于“整体系统水平”即“虚拟汽车”的仿真上。

4 动力学计算的理论基础
4.1 仿真趋势
对于先进的发动机和车辆动力学仿真分析，以下趋势和要求的重要性在不断增加[6]。

需考虑全局运动和局部变形的相互影响。

缝隙和间隙的物理效应需采用适当的模型来模拟，
而无须调
整参数。

这些要求特别存在于运动的发动机轴系模拟中，在燃气压力和质量力(引起当地应力)作用下，同
时存在全局旋转运动和振动。

该两类运动形式的相互作用导致非线性惯性力(如：陀螺效应)。

另外，轴承
油膜强烈影响当地结构变形。

AVL EXCITE 是为这样的目的而开发的非线性多体动力学软件，可仿真发动机和总成的动力学和声
学。

软件基本方法是利用了这样的事实：在非线性机械系统中，结构中大部分部位仍为线弹性行为。

因此，
在仿真模型中区分为线弹性部件（如曲轴、连杆等）和非线性连接体（如轴承）。

这样，该软件可模拟复
杂结构，诸如整个动力总成。

虽然模型复杂，却有良好的计算效率，并在高达3.5kHz 的范围内有效。

4.2 基本数学框架
AVL EXCITE 中大的弹性结构可由足够数量的刚性离散质量来描述。

这些离散质量满足古典线性系统振动方程，其扩展形式是：
方程(1)左边含不随时间变化的结构质量、阻尼和刚度矩阵。

对这些线性结构区域，通过缩减算法/6/得到缩减模型，来减少需要求解的方程数量。

除激励力外，方程右边含有“未知”力和力矩，它们是由接触连接体和额外惯量导致的。

后两项取决于在时域中的运动分量。

还有，离散质量运动的振动方程，由线性动量原理给出每一整个弹性体的全局运动方程(2)：
以及整体的角动量方程：
其中
4.3 求解过程
由于系统非线性特征，求解是在时域中进行的。

AVL EXCITE 确定初始条件并提供可变步长的有效的积分方法。

给定外载的时间历程，并在每一时间步长下迭代计算连接体载荷及额外的惯性力。

随后结果可转换到频域。

5 用AVL-EXCITE 进行动力总成的动力学和声学仿真
5.1 应用
AVL EXCITE 应用于动力总成的振动和声学的实例，参见[7]。

瞬态载荷（发动机循环），用于应力和疲劳分析，如主轴承壁、发动机悬置和辅助支架。

1）低频范围－发动机悬置和支架的设计和分析。

2）预测结构产生的噪声（绝对表面速度级）。

3）识别潜在的噪声大的结构部件。

4）分析噪声的机械激励机理。

5）支持低噪声发动机设计优化。

6）设计参数的影响分析（材料、轴承间隙、飞轮和减振器设计、曲轴刚度等。

5.2 计算方法
仿真是基于将非线性机械系统分割成线弹性子系统和仅产生在这些子系统间相互作用的非线性连接体，线弹性体模型通过极度非线性的连接体相互作用（如：滑动轴承或活塞/缸套的油膜）。

弹性体经有限元模型压缩获得缩减结构矩阵。

由与有限元求解器的接口将数据传递到EXCITE。

声学应用的典型模型包含数十万个自由度，通过缩减得到1500 ～3000 个主自由度。

为此，需结合静态和动态压缩方法，来满足计算要求。

所述方法能仿真如整个动力总成的复杂结构，可达3.5kHz 的频率范围，得到有效高效精确的计算结果。

激励力可施加在仿真模型的任一体上。

为考虑配气机构和正时驱动，可使用AVL TYCON 计算如凸轮轴轴承、阀座、弹簧力、皮带轮力矩、齿轮或摇臂轴承力、正时驱动张紧器和导向器等激励。

声学应用中，EXCITE 可考虑活塞二次运动的敲击力，使用活塞－缸套接触模型并读入AVLGLIDE 的活塞动力学的分析结果。

5.3 功能和特点
(1) 前处理
应用动力总成的前处理，能快速简捷地生成模型，减少整个过程时间。

1）自动化的曲轴模型生成器(AutoSHAFT) 。

2）自动找寻连接体和载荷(边界条件)的节点组。

3）方便输入从AVL TYCON 和AVL GLIDE 得到的外载数据。

4）发动机悬置模型的参数判别。

5）支持模型变参设定和定义计算工况。

6）许多工具，如弹性体压缩控制文件的自动生成。

7）与MSC/NASTRAN, ABAQUS 和ANSYS 的有限元接口。

(2) 连接体
EXCITE 的一重要特征是有许多不同类型的连接体模型，可根据应用要求来耦合各个发动机部件。

1）增强型HD：液体动力学轴承连接体，考虑轴承内的弯曲变形并传递力矩。

2）线性和非线性弹簧/阻尼器，如可作径向轴承。

3）活塞－缸套的干接触(粗糙接触)模型，适用于NVH。

4）活塞导向(用于单质量活塞模型中)，并可施加AVL GLIDE 得到的敲击力。

5）EHD(可选)：用于滑动轴承和活塞－缸套接触的完全弹性液体动力学模型。

6）专门的发动机悬置连接体，能根据测量的动刚度自动进行参数识别。

7）扭振减振器。

8）皮带轮的皮带线性连接体。

(3) 刚体
结构部件可模拟为刚体(如发动机机体)，由用户定义质量特性，并任意与弹性体组合。

(4) Shaft Modeler / AutoSHAFT
该工具能有效帮助结构化曲轴模型的生成。

(5) 与AVL TYCON 的联合计算
正时驱动的激励力可离线或在线联合计算来考虑。

因此整个发动机可考虑正时驱动和/或手工传动系统，同时考虑动力总成部件相互作用导致的最终影响。

(6) 自动化的二维后处理
1）快速浏览计算结果。

2）彩图, Campbell 图, 多种结果数据运算操作(FFT，均值等)。

3）预制通用模板，可添加模板。

4）报告自动生成（包括比较不同的计算工况结果）。

(7) 三维后处理和动画AVL IMPRESS
在时域中，可动画显示未缩减有限元模型的动力学行为，如：全局运动、位移、速度、加速度，以及连接体结果，如压力、间隙、填充率等。

(8) 声学后处理提供多种表面速度结果的评价功能
1）XYZ 分量级，最大级，表面法向级
2）单频率级，倍频程、1/3 倍频程积分级，用户自定义频段
3）选择区域和部件的积分平均级
(9) 声学后处理
使用EXCITE专门工具(针对MSC/NASTRAN, ABAQUS 或ANSYS 模型)或商用有限元求解器本身(MSC/NASTRAN)，将数据恢复到未缩减的模型上，可进行声学后处理。

5.4 优点
1）用于应力和疲劳分析的瞬态载荷（发动机循环）计算，使设计接近耐久极限，如主轴承壁。

2）达3.5kHz 的精度高的结构噪声级计算。

3）详尽的连接体模型可分析试验难以获得的轴系噪声的生成机理。

4）非固定发动机加速过程的计算，来探究临界共振。

5）EXCITE – TYCON 的联合计算－同时计算整个系统（带正时驱动的发动机，发动机＋传动）。

6）设计阶段的噪声优化－极大减少试验工作量。

6 结论
当前车辆开发过程中，还没有达到能使用“完全的”车辆数值模型的先进阶段，即考虑所有相关激励和结构部件。

为实现车辆所有相关声学特性的虚拟建模，还需不断提升计算能力和已知计算技术。

但发动机噪声辐射和发动机振动的仿真已成为当前常用技术，广泛应用于发动机开发过程中。

AVL EXCITE 正是为这些应用而开发的，它结合杰出的仿真技术，可实现发动机动力学和噪声的仿真计算，获得接近真值的理想结果。

参考资料
1 Priebsch, H.H.; Loibnegger, B.; Pramberger, H.. “Simulation of Engine Noise –Influence of Design Parameters”, JSAE 1998, 20.5. - 22.5. Pacific Convention Plaza Yokohama, Japan
2 Loibnegger, B.; Pramberger, H.; Rainer G.Ph.: “Zusammenwirke n von MSC/NASTRAN mit dem Mehrkörpersystem AVL/EXCITE für akustische Berechnungen von Motoren”, MSC-Anwenderkonferenz, München, 26. – 27. September 1996
3 Rainer G.Ph.; Gschweitl, E.; Pramberger, H.: “Dynamische Analysen von Motorbauteilen unter Verwendung großer FE-Modelle”, Deutschsprachige
MSC-Anwenderkonferenz, Frankfurt, September 1995
4 Pflueger, M.; Biermayer, W.; Priebsch, H.H.: “Simulation and Experimental Analysis of the Engine-Induced Vehicle Exterior Noise”, Styrian Noise, Vibration & Harshnes s Congress, Graz, 22.05.2003 - 23.05.2003
5 Pfl ueger, M.; Rust, A.; Resch, T.: ”Stand der Technik und Perspektiven in der rechnergestützten Motorakustik”, Wiener Motorensymposium, Wien, 25.04.02-26.04.02
6 Loibnegger, B.; Resch, T.; Zmire, B.: “Enhanced Crankshaft Vibration and Stress Analysis“, 19th CAD-FEM Users’ Meeting 2001, International Congress on FEM Technology, Hotel Dorint Sanssouci, Berlin, Potsdam, October 17-19, 2001
7 Product Description AVL-EXCITE v6.0: “Dynamics and Acoustics of Power Units”, April 2003(end)。