基于有限元的排氣歧管隔熱罩的振動分析與噪聲驗證

趙俊男，趙世來，李艷宇，李志廣，張治國，王雷

（華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處，遼寧 沈陽 110141）

1 概述

隨著對汽車的性能要求日益提高，人們已不再單純地追求汽車的動力性和安全性，而更加的注重汽車的舒適性。雖然發(fā)動機作為汽車行駛的動力來源，一直以來被稱為汽車的“心臟”，但同時也是汽車噪聲的主要來源之一。因此，發(fā)動機的振動和噪聲問題研究越來越引起重視。發(fā)動機是一個包括各種不同性質(zhì)噪聲的綜合噪聲源，按噪聲輻射的方式，主要噪聲源可分為：進(jìn)、排氣噪聲，風(fēng)扇噪聲和表面輻射噪聲。在表面輻射噪聲中，薄壁件輻射噪聲占有相當(dāng)大的比例。

排氣歧管隔熱罩（以下簡稱隔熱罩）本身具有壁薄和表面平而大的特點，由直接地安裝在發(fā)動機排氣歧管上，在發(fā)動機機械振動和燃燒后氣體沖擊波的激勵下引起其表面敏感部位的較大振動而向外輻射噪聲。通常降低輻射噪聲的直接又有效地措施就是增加阻尼和橡膠材料，但是由于發(fā)動機工作時其表面溫度很高，限制了該措施應(yīng)用。因此，結(jié)構(gòu)改進(jìn)是抑制排氣歧管隔熱罩噪聲輻射的有效途徑。

圖1 排氣歧管隔熱罩外形照片

本文以某款小排量的發(fā)動機排氣歧管隔熱罩為研究對象，運用有限元分析技術(shù)，對幾種方案隔熱罩進(jìn)行自由模態(tài)分析，對比隔熱罩的固有頻率和振型；再進(jìn)行發(fā)動機臺架輻射噪聲測試驗證，通過聲壓級對比分析確定最優(yōu)方案；最后將最優(yōu)方案的隔熱罩搭載整車道路耐久試驗驗證。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 振動分析的物理模型

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動分析，首先第一步就是把所研究的對象以及外界對它的激勵簡化為理想的物理模型，結(jié)構(gòu)之所以會產(chǎn)生振動，是由于結(jié)構(gòu)本身具有質(zhì)量、彈性和阻尼。從能量關(guān)系看，質(zhì)量可以儲存動能，彈性可以儲存勢能，阻尼則消耗能量（動能和勢能）。當(dāng)外界對結(jié)構(gòu)激勵時，結(jié)構(gòu)質(zhì)量吸收動能則產(chǎn)生使結(jié)構(gòu)將變形的運動速度，彈性儲存變形位置的勢能則使結(jié)構(gòu)恢復(fù)原來狀態(tài)的能力。像這樣，能量不停地轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)圍繞它的平衡位置做反復(fù)運動(振動)。當(dāng)外界的激勵不是源源不斷的輸入，由于阻尼消耗能量，振動現(xiàn)象將逐漸停息。因此，質(zhì)量、彈性和阻尼是振動物理模型的三大要素。質(zhì)量是表示力與加速度的關(guān)系，在模型中可以簡化為剛體；阻尼是表示力和速度的關(guān)系，在模型中理想化為線性阻尼系數(shù)；彈性是表示力和位移的關(guān)系，在模型中理想化為線性彈性系數(shù)（剛度）。本文涉及的隔熱罩采用雙層鋁板結(jié)構(gòu)，內(nèi)外板通過翻邊沖壓方式連接的。根據(jù)隔熱罩實際的安裝情況，建立了簡化后的結(jié)構(gòu)振動物理模型如圖1。m1、k1、c1為隔熱罩內(nèi)板質(zhì)量、剛度和阻尼；m2、k2、c2為隔熱罩內(nèi)板質(zhì)量、剛度和阻尼；x1、x2分別為內(nèi)外板的位移；F1(t)、F2(t)分別為內(nèi)外板的激振力。

圖2 結(jié)構(gòu)振動物理模型

2.2 振動分析的數(shù)學(xué)模型

將隔熱罩內(nèi)外板看作在兩個獨立坐標(biāo)系下描述其質(zhì)量在空間位置的結(jié)構(gòu)，因此實際結(jié)構(gòu)可以簡化成二自由度系統(tǒng)模型，其運動微分方程為：

此方程為二自由度有阻尼振系自由振動運動微分方程。

在本文中，主要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由模態(tài)分析，研究結(jié)構(gòu)的固有頻率和各階振型。通過對比幾種方案的各階振型應(yīng)力分布圖，選取最優(yōu)方案。

3 有限元模型的建立

本文目標(biāo)隔熱罩有 4種設(shè)計方案，分別為雙層厚度0.3mm的鋁板、厚度0.3mm的內(nèi)板+厚度0.5mm外板、雙層厚度0.5mm的鋁板，單層厚度0.8mm的鋁板，而這4種方案曲面造型設(shè)計一致。在研究分析隔熱罩的過程中，運用的軟件為CATIA V5，該軟件具有強大的曲面造型功能和CAE分析功能。運用CATIA V5創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊，根據(jù)空間布置要求設(shè)計目標(biāo)隔熱罩，為了更快、更有效地計算和分析，對該模型簡化處理，提取兩片曲面，組成三維曲面模型。再運用在CATIA V5分析和仿真模塊中先進(jìn)網(wǎng)格劃分工具對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，隔熱罩采用四邊形殼單元，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)17455，單元格數(shù)17143，如圖2所示。

隔熱罩的內(nèi)外板材料密度為 2.7E-09t/mm3，彈性模量為70000Mpa，泊松比為：0.33；

由于隔熱罩內(nèi)外板由沖壓翻邊形式連接的，為了降低模態(tài)求解技術(shù)難度大，暫時不考慮不同鋁板之間的接觸和摩擦效應(yīng)，根據(jù)翻邊位置，將內(nèi)外板邊緣直接進(jìn)行剛性約束。

4 自由模態(tài)分析

自由模態(tài)，是指結(jié)構(gòu)不受任何外界載荷和約束的作用,在自由狀態(tài)下而計算得到的模態(tài)，用于分析結(jié)構(gòu)各個部分的振動強度。一般來說，對于實際工作過程中，低級振動對結(jié)構(gòu)的破壞要比高階振動較大，因此將分析隔熱罩自由模態(tài)的前十階振型。

在自由模態(tài)分析中，由于結(jié)構(gòu)的約束條件不足，結(jié)構(gòu)發(fā)生剛體運動，固有頻率接近零，本文計算結(jié)果中的前六階就是剛體模態(tài)，研究剛體模態(tài)沒有意義，因此忽略了對前六階研究。運用 CATIA軟件對四種方案隔熱罩進(jìn)行自由模態(tài)分析，模態(tài)提取計算方法采用蘭索斯法。

求解計算后得到方案1的前10階固有頻率和對應(yīng)的振型結(jié)果如表1。

方案1的后四階振型應(yīng)力云圖如圖4所示：

圖4 方案1的后四階振型應(yīng)力云圖

方案2的前10階固有頻率和對應(yīng)的振型結(jié)果如表2。

表2 前10階固有頻率和相應(yīng)的振型結(jié)果

方案2的后四階振型應(yīng)力云圖如圖5所示：

圖5 方案1的后四階振型應(yīng)力云圖

方案3的前10階固有頻率和對應(yīng)的振型結(jié)果如表3。

表3 前10階固有頻率和相應(yīng)的振型結(jié)果

方案3的后四階振型應(yīng)力云圖如圖6所示：

圖6 方案1的后四階振型應(yīng)力云圖

方案4的前10階固有頻率和對應(yīng)的振型結(jié)果如表4。

表4 前10階固有頻率和相應(yīng)的振型結(jié)果

方案4的后四階振型應(yīng)力云圖如圖7所示：

圖7 方案1的后四階振型應(yīng)力云圖

由振型應(yīng)力云圖可知，四種方案的振型基本一致，隨著材料厚度增加，對應(yīng)的固有頻率也提高。進(jìn)一步計算得到四種方案的后四階最大變形量對比如圖8。

圖8 四種方案的后四階最大變形量對比

通過對比四種方案的最大變形量可知，方案2和3要優(yōu)于方案1和4。選取方案2和3制作樣件，進(jìn)行發(fā)動機臺架輻射噪聲測試驗證。本試驗依據(jù)《發(fā)動機 NVH臺架九點法測試標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行麥克風(fēng)測點位置布置如圖9。在噪聲試驗中，屏蔽進(jìn)排氣管口噪聲，冷卻水溫控制范圍為 85±5℃，艙內(nèi)濕度20-45%，背景噪聲25dB(A)。分別測試無隔熱罩方案、方案2和3在空載、半載和滿載工況下發(fā)動機聲壓級（A計權(quán)）。在試驗完成后，得到發(fā)動機聲壓級對比曲線如圖10所示。

圖9 麥克風(fēng)測點位置布置

圖10 發(fā)動機聲壓級對比曲線

通過發(fā)動機聲壓級對比曲線可知，方案2發(fā)動機聲壓級要好于方案 3，尤其滿載工況下，方案2近場噪聲比方案 3低1.7dB（A），4500rpm以前表現(xiàn)明顯。

將方案2隔熱罩搭載樣車進(jìn)行整車道路耐久試驗驗證。在試驗完成后，檢查隔熱罩的情況，沒有發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象（如圖 11），功能正常，該零件通過了耐久試驗考核。本方案得到了項目組的認(rèn)可，并通知了供應(yīng)商進(jìn)行開模生產(chǎn)，保證了整個項目進(jìn)度。

圖11 整車道路試驗后合格的樣件現(xiàn)場圖片

5 結(jié)論

本文以新開發(fā)的發(fā)動機排氣歧管隔熱罩為研究對象，充分運用CATIA軟件的曲面造型功能和CAE分析功能，對四種方案隔熱罩自由模態(tài)分析，研究固有頻率和對應(yīng)的振型，對比相應(yīng)的最大變形量，再通過發(fā)動機臺架輻射噪聲測試驗證，選出最優(yōu)方案，并制作最優(yōu)方案的樣件，通過了整車七萬公里道路耐久試驗驗證。本方案得到了項目組的認(rèn)可，并通知了供應(yīng)商進(jìn)行開模生產(chǎn)，保證了整個項目進(jìn)度。

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