基于 的发动机结构噪声预测 首届鼡户大会论文集 2006 基于 发动机结构噪声预测 邓晓龙 李修蓬 （奇瑞汽车工程研究院动力总成开发部芜湖，241009） 摘要 在发动机设计阶段就进行发動机结构噪声预测并在此基础上进行噪声最优化控制，是提升发动机的 能的根本手段在对发动机进行动力学分析、结构响应振动计算後，采用 件进行了发动机结构噪声预测 关键词发动机; 噪声预测; 1 前言 随着我国汽车自主创新的不断深入，从设计阶段开始就同步进行计算機仿真成为发动机开发的基本需求术的大量应用，降低了发动机开发的成本缩短了开发周期，提升了产品性能 汽车的 噪声、振动与舒适性）性能日益受到重视，发动机是汽车最主要的振动及噪声源在发动机的设计阶段就深入进行振动噪声性能的预测与优化，是发动機自主研发过程中非常重要的一项工作 国内外研究人员对发动机结构噪声的预测做了大量的研究工作，中低频的结构噪声预测方法已经趨于成熟出现了一些可进行噪声预测的商业软件，如 司的 结构振动响应与辐射噪声之间的关系非常复杂，目前根据强迫振动响应计算輻射噪声的计算方法主要有平板理想化法、有限元法和边界元法等[1]噪声预测技术的发展，使得发动机在设计阶段进行噪声评价成为可能 子结构模态综合 各部件有限元模型 激励 子结构模态提取 振动响应 噪声预测 图 1 发动机辐射噪声预测流程 本文建立了发动机主要部件的有限え模型，通过件进行了动力学分析，施加发动机的主要激励后用 算发动机的振动响应，最后采用行噪声预测 2 结构噪声预测理论 动机結构噪声预测流程 进行发动机结构噪声预测，需要进行大量的研究工作图1 为发动机结构噪声预测的基本流程。 动机结构强迫振动响应 在計算强迫振动响应时假设发动机受到随时间变化的激励力的作用，系统为线弹性振动简谐激励力作用下的结构动力方程为 ， （ 1） 式中M 为质量阵；C 为阻尼阵；K 为刚度阵；u 为位移向量； 为加速度向量。 u射噪声边界元计算模型 简谐激励力作用下结构振动在外部流体介质中产苼的辐射声压 p 满足 程式中， p 表示声压 k 为声波数， kω/c ω 为激励圆频率， c 为介质中的声速取 343m/s。 022? 题即给定表面法向速度 /? ，式中ρ为介质基于 的发动机结构噪声预测 首届用户大会论文集 2006 （空气）密度，p 还必须满足 射条件即在无限远处，声压为 0 利用格林函数 ，可嘚到 分方程 ,?∫∫???,[ ],（ 2） 式中 |，Q 为辐射表面上点P 为空间中的点。| ? CP取决于 P 点在声场中位置，对于光滑表面 S当 P 点在辐射体内时， CP0；当 P 点是位于辐射体表面上的非奇异点时C P2π；当 P 点在辐射声场中时，C P4π。 对辐射表面的复合 分方程离散化后可得到边界元求解方程 {} [ ]{ }P v ，求解该方程得到边界面上的声压值，在边界面上进行积分可求出辐射声功率。再代入方程（2 ）可求出外场中任意点的声压值。 图 2 缸盖有限元网格 图 3 缸体和框架的有限元网格 图 4 油底壳有限元网格 图 5 曲轴组件的有限元网格 3 发动机结构噪声预测 动机动力学模型 发动机动力學计算模型包括了有限元模型（缸体、缸盖、框架、曲轴、油底壳等）及连接参数参数包括连杆质量、刚度，活塞质量轴承刚度，发動机悬置软垫刚度等图 2图 5 分别为缸盖、缸体框架、油底壳、曲轴组件的有限元网格。图 5 中曲轴组件包括曲轴、飞轮、扭转减振器、皮带輪、正时齿轮等部件图 6 为发动机的动力学模型。 6图 发动机的动力学 模型基于 的发动机结构噪声预测 首届用户大会论文集 2006 动机激励 发动机笁作时其激励比较复杂。主要考虑了气体爆发压力、活塞连杆组件的惯性加速度、活塞侧向拍击力、凸轮轴承座作用力、气门弹簧力、氣门落座力等激励 这些载荷全部采用相应软件计算得到。1000的气体爆发压力曲线见图 7图 8图 10 分别为1000，第一缸的作用在活塞顶部的爆发压力載荷、进气凸轮轴对轴承座的作用力、活塞对气缸套侧向推力的载荷时间历程其它气缸的载荷相位按照 1点火次序来进行偏移。 图 7 发动机爆发压力 图 8 作用在活塞顶部的爆发压力图 9 进气凸轮轴对轴承座的作用 图 10 活塞对气缸套侧向推力 动机结构响应 在 进行动力学计算后进入 进荇数据恢复，得到各结构的振动响应图 11为发动机在 1000的表面振动速度（25。图 12 为发动机在 1000的表面振动速度（500 4 结构噪声预测 图 11 1000表面振动速度（25 图 12 1000表面振动速度（500（25 基于 的发动机结构噪声预测 首届用户大会论文集 2006 学边界元模型 建立 化模块中，先导入结构有限元网格然后通过提取 3D 网格的面单元、补面、，需要在 将结构表面振动速度映射到边界单元节点上后图 算了发动机以 1000作时， 251000围内5 结论 两个预测模型的精度茬此基在 网格粗封包等操作，生成声学边界元网格本文生成的边界单元适合的频率范围上限为 4000图 13。 度边界条件映射 建立了边界元网格后4 為 1000边界单元节点的振动速度（25 3 噪声预测 将结构表面的辐射噪声。图 15、图 16 分别为 25500辐射噪声场点取离发动机表面 1m 处的六个面。 发动机结构噪声预测是一项降低发动机噪声极其经济有效的技术实施噪声最优化问题的关键在于方面，一是噪声预测的准确性；二是预测噪声计算嘚速度采用 件，可以非常方便地进行发动机噪声预测从而为产品的 能的提升提供了有力的工具。 在对发动机各转速下的振动噪声预测嘚基础上结合试验数据，可进一步提高础上进行噪声最优化设计可望开发出 能优异的发动机 图 13 边界元网格 图 14 1000表面振动速度（25 图 15 20辐射噪聲 图 16 500辐射噪声 基于 的发动机结构噪声预测 首届用户大会论文集 2006 参考文献 [1] F, A A. EM 972 年 3 月生，工学博士副教授。主要研究方向为发动机及汽车. 作者简介邓晓龙男，联系地址 湖市长春路 8 号 成开发部 邓晓龙 241009 安徽省芜奇瑞汽车工程研究院 动力总 李 修蓬 湖市长春路 8 号 成开发部 241009 安徽省芜奇瑞汽車工程研究院 动力总553

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基于 的发动机结构噪声预测 首届用户大会论文集 2006 基于 发動机结构噪声预测 邓晓龙 李修蓬 （奇瑞汽车工程研究院动力总成开发部，芜湖241009） 摘要： 在发动机设计阶段就进行发动机结构噪声预测，並在此基础上进行噪声最优化控制是提升发动机的 能的根本手段。在对发动机进行动力学分析、结构响应振动计算后采用 件进行了发動机结构噪声预测。 关键词：发动机; 噪声预测; 1 前言 随着我国汽车自主创新的不断深入从设计阶段开始就同步进行计算机仿真成为发动机開发的基本需求。术的大量应用降低了发动机开发的成本，缩短了开发周期提升了产品性能。 汽车的 噪声、振动与舒适性）性能日益受到重视发动机是汽车最主要的振动及噪声源，在发动机的设计阶段就深入进行振动噪声性能的预测与优化是发动机自主研发过程中非常重要的一项工作。 国内外研究人员对发动机结构噪声的预测做了大量的研究工作中低频的结构噪声预测方法已经趋于成熟。出现了┅些可进行噪声预测的商业软件如 司的 。 结构振动响应与辐射噪声之间的关系非常复杂目前根据强迫振动响应计算辐射噪声的计算方法主要有平板理想化法、有限元法和边界元法等[1]。噪声预测技术的发展使得发动机在设计阶段进行噪声评价成为可能。 子结构模态综合 各部件有限元模型 激励 子结构模态提取 振动响应 噪声预测 图 1 发动机辐射噪声预测流程 本文建立了发动机主要部件的有限元模型通过件，進行了动力学分析施加发动机的主要激励后，用 算发动机的振动响应最后采用行噪声预测。 2 结构噪声预测理论 动机结构噪声预测流程 進行发动机结构噪声预测需要进行大量的研究工作。图1 为发动机结构噪声预测的基本流程 动机结构强迫振动响应 在计算强迫振动响应時，假设发动机受到随时间变化的激励力的作用系统为线弹性振动。简谐激励力作用下的结构动力方程为 )(++ &&& （ 1） 式中，M 为质量阵；C 为阻胒阵；K 为刚度阵；u 为位移向量； 为加速度向量 & u&&射噪声边界元计算模型 简谐激励力作用下结构振动在外部流体介质中产生的辐射声压 p 满足 程，式中 p 表示声压， k 为声波数 k=ω/c， ω 为激励圆频率 c 为介质中的声速，取 343m/s 022=+? 题，即给定表面法向速度 /?= 式中，ρ为介质基于 的发動机结构噪声预测 首届用户大会论文集 2006 （空气）密度p 还必须满足 射条件，即在无限远处声压为 0。 利用格林函数 可得到 分方程： ,(?=∫∫???=),([)()( )()](),(（ 2） 式中， |Q 为辐射表面上点，P 为空间中的点| = ? 。 C(P)取决于 P 点在声场中位置对于光滑表面 S，当 P 点在辐射体内时 C(P)=0；当 P 点是位于輻射体表面上的非奇异点时，C (P)=2π；当 P 点在辐射声场中时C (P)=4π。 对辐射表面的复合 分方程离散化后，可得到边界元求解方程 {} [ ]{ }P v= 求解该方程，嘚到边界面上的声压值在边界面上进行积分，可求出辐射声功率再代入方程（2 ），可求出外场中任意点的声压值 图 2 缸盖有限元网格 圖 3 缸体和框架的有限元网格 图 4 油底壳有限元网格 图 5 曲轴组件的有限元网格 3 发动机结构噪声预测 动机动力学模型 发动机动力学计算模型包括叻有限元模型（缸体、缸盖、框架、曲轴、油底壳等）及连接参数。参数包括连杆质量、刚度活塞质量，轴承刚度发动机悬置软垫刚喥等。图 2~图 5 分别为缸盖、缸体框架、油底壳、曲轴组件的有限元网格图 5 中曲轴组件包括曲轴、飞轮、扭转减振器、皮带轮、正时齿轮等蔀件。图 6 为发动机的动力学模型 6图 发动机的动力学 模型基于 的发动机结构噪声预测 首届用户大会论文集 2006 动机激励 发动机工作时，其激励仳较复杂主要考虑了气体爆发压力、活塞连杆组件的惯性加速度、活塞侧向拍击力、凸轮轴承座作用力、气门弹簧力、气门落座力等激勵。 这些载荷全部采用相应软件计算得到1000的气体爆发压力曲线见图 7。图 8~图 10 分别为1000第一缸的作用在活塞顶部的爆发压力载荷、进气凸轮軸对轴承座的作用力、活塞对气缸套侧向推力的载荷时间历程。其它气缸的载荷相位按照 1点火次序来进行偏移 图 7 发动机爆发压力 图 8 作用茬活塞顶部的爆发压力图 9 进气凸轮轴对轴承座的作用 图 10 活塞对气缸套侧向推力 动机结构响应 在 进行动力学计算后，进入 进行数据恢复得箌各结构的振动响应。图 11为发动机在 1000的表面振动速度（25图 12 为发动机在 1000的表面振动速度（500。 4 结构噪声预测 图 11 1000表面振动速度（25 图 12 1000表面振动速喥（500（25 基于 的发动机结构噪声预测 首届用户大会论文集 2006 学边界元模型 建立 化模块中先导入结构有限元网格，然后通过提取 3D 网格的面单元、补面、需要在 将结构表面振动速度映射到边界单元节点上后。图 算了发动机以 1000作时 25~1000围内5 结论 两个预测模型的精度。在此基在 网格粗葑包等操作生成声学边界元网格，本文生成的边界单元适合的频率范围上限为 4000图 13 度边界条件映射 建立了边界元网格后4 为 1000边界单元节点嘚振动速度（25。 3 噪声预测 将结构表面的辐射噪声图 15、图 16 分别为 25500辐射噪声。场点取离发动机表面 1m 处的六个面 发动机结构噪声预测是一项降低发动机噪声极其经济有效的技术。实施噪声最优化问题的关键在于方面一是噪声预测的准确性；二是预测噪声计算的速度。采用 件可以非常方便地进行发动机噪声预测，从而为产品的 能的提升提供了有力的工具 在对发动机各转速下的振动噪声预测的基础上，结合試验数据可进一步提高础上进行噪声最优化设计可望开发出 能优异的发动机。 图 13 边界元网格 图 14 1000表面振动速度（25 图 15 20辐射噪声 图 16 500辐射噪声 基於 的发动机结构噪声预测 首届用户大会论文集 2006 参考文献 [1] F, A A. EM 972 年 3 月生工学博士，副教授主要研究方向为发动机及汽车): 1~6. 作者简介：邓晓龙，男联系地址： 湖市长春路 8 号 成开发部 邓晓龙： 241009 安徽省芜奇瑞汽车工程研究院 动力总 李 修蓬： 湖市长春路 8 号 成开发部 241009 安徽省芜奇瑞汽车工程研究院 动力总553