文章编号:1006-1355(2007)05-0115-04
柴油机油底壳辐射声场的仿真研究
方　华1
，王天灵1
，李盛成1
，孙　勇2
，郭东邵
2
(1.吉林大学汽车学院，长春130025;2.钱江摩托股份有限公司，浙江温岭317500)
  摘　要：采用有限元与边界元联合求解的方法进行了柴油机油底壳辐射声场的仿真研究，利用ANSYS 软件进
行了油底壳的谐响应分析为SYS NO I SE 软件的边界元法声场模拟提供边界条件，计算结果与实验结果的高度一致表明该方法是完全可行的，并且可以为低噪声设计提供指导。
关键词：声学；模态；有限元；边界元；辐射声场中图分类号:U464  　文献标识码:A
S i m ul a ti on on the Rad i a ted Sound F i eld of O il Pan
for the D i esel Eng i n e
FAN G Hua 1
,WAN G Tian 2ling 1
,L I Sheng 2cheng 1
,SUN Yong 2
,G UO D ong 2shao
2
(1.College of Aut omobile Engineering,J ilin University,Changchun 130025,China;
2.Q ianjiang Mot orcycle Co .L td,W enling Zhejiang 317500,China )
  Abstract:I n this paper,the combinati on of FE M and BE M can adequately bring int o p lay their ad 2vantages in the numerical si m ulati on of diesel engine oil pan .The har monic res ponse analysis of the oil pan was done by ANSYS,the results of dyna m ic analysis were used as boundary conditi on,then the s ound field was analyzed by SYS NO I SE .Co mparing the results of experi m ent and calculati on shows that both of the m have the sa me trend,s o the si m ulati can be verified .A good base can be p r ovided for the l ow noise structure design .
Key words:acoustics;modal;FE M;BE M;radiated s ound field 收稿日期:2007204202
作者简介：方华(1965-)，女，满族，辽宁省岫岩县人，教授，博士，主
要从事内燃机现代设计以及振动噪声及其控制方面的研究。
  传统的发动机设计，主要是参考已有的机型进行相似设计，然后再根据对样机的测试结果进行修改，通常需要经过设计2样机2试验2修改这样一个多次反复的过程才有可能得到一台较好的机型，设计周期长，效率低。
近年来，随着计算机技术的飞速发展，在汽车产品开发方面,CAE 技术已经大量应用。在零、部件以及
整车尚未制造出来时，使用CAE 技术可以对它们的强度、可靠性以及各种特性进行计算分析，在计算机上进行"试验"。有限元分析技术是CAE 技术中重要方法之一。有限元法在力学领域中的应用已相当成熟，但由于声辐射问题需要对整个外部声场划分三维网格，使得单元数量和求解工作量巨大，甚至无法求解。因此，有限元技术在声学领域里的应用仅限于内场分析和简单规则结构的外场分析。而边界元法则利用边界积分方程，使问题的维数降低了一维，并且既能求解有界区域问题，也能求解无界区域问题。这两种方法相辅相成，它们的组合有着广泛的应用。
1　油底壳的模态分析
  实验模态分析方法与计算模态分析方法一起，成为解决现代复杂结构动态特性设计的相辅相成的重要手段。为了得到油底壳的模态参数和验证油底壳的有限元计算模型，对油底壳进行了实验模态分析。
试验选用比利时LMS 公司的Test .lab 试验模态分析系统[1]
，采用锤激试验法，进行油底壳的模态试验。
同时根据油底壳的结构参数及材料参数，建立了有限元模型。模型共有2669个壳单元,2697个节点。材料为A8钢板，其材料特性为弹性模量E =
汽车辐射210×109Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800kg/m 3
。用ANSYS 有限元分析软件对该模型进行固有频率和振型的求解，计算结果与实验模态分析结果的比较见图1。  通过实验模态分析和计算模态分析的振型，以及固有频率的结果比较，二者最大相对误差小于10%，可以认为油底壳的有限元模型基本正确，为后续的动力分析提供了基础。
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图1　前三阶实验模态振型和有限元模态振型图
(a )第一阶　(b )第二阶　(c )第三阶
2　油底壳的谐响应分析
  由于辐射声场的边界元模型是以结构有限元的响应分析结果作为输入边界，为此，首先分析油底壳的动态响应特性。
油底壳是通过螺栓与发动机机体的下表面相连的
，它的激励来自于机体的振动，因此测量螺栓的振动信号作为响应分析的载荷。图2为其中一螺栓的垂直于地面方向的加速度谱。
图2　螺栓的Y 方向加速度谱
  为了验证计算结果，选取了几个特征测量点，即几个平面的中心位置，测取了其表面振动加速度，测量时间为30s，取其平均值，见图3。由图中可以看出,Y 方向的加速度幅值较大，主要是左右两侧面，且右侧大于左侧
。Z 方向的加速度幅值较大的点在前下底面和底面，前下底面略大于底面。X 方向的加速度幅值较大的点在后端面。
图3　油底壳的表面振动加速度
  利用ANSYS 软件进行了谐响应分析
，得到了油
底壳在螺栓加速度谱激励下的位移响应。图4为油底壳表面测点及计算节点位置图。
图4　油底壳表面振动测点布置图
  图5显示了5个特征节点的X 方向的位移结
果
，其中2604节点(后端面中心)的幅值在全频率内均较大。
图5　X 方向的位移响应
  图6显示了5个特征节点的Y 方向的位移结
果，其中2238节点(右侧中心)和2550节点(左侧中心)的幅值在全频率内均较大。且2238节点大于2550节点。
图6　Y 方向的位移响应
  图7显示了5个特征节点的Z
方向的位移结
果，其中1035节点(前下底面中心)和2108节点(下底面中心)的幅值在全频率内均较大。且1035节点大于2108节点
。
图7　Z 方向的位移响应
  并且，比较三个方向的幅值的大小发现,Y 方向的幅值最大,X 方向幅值最小，这与前文的实测结果完全吻合。
因此，可以认为采用油底壳紧固螺栓的加速度谱作为响应分析的激励载荷是完全可行的。这就保证了辐射声场计算的正确性。
3　油底壳的边界元模型及辐射声场分
析
  如果要正确模拟发动机对油底壳辐射声场的影
响，模型必须包括整个发动机[2]
，因而模型的单元数量及CP U 时间均要大大增加。所以要寻求一种既能考虑到发动机的影响又尽可能简单的模型，建立了如图8所示的半消声室模型，此模型在油底壳与机体连接的上表面添加一个对称平面来形成闭合的空间，该平面为刚性平面，其法向速度为零，将油底壳的辐射噪声完全反射。  利用上述半消声室模型，进行了辐射噪声计算
,
图8　油底壳的半消声室模型
输出声功率频谱如图9所示。根据该频谱可以得到总的声功率级为111.58d BA 。另外，由图中可以到峰值频率点，分别为460Hz,900Hz,985Hz 和345Hz 。确定了对辐射噪声贡献较大的频率，指出了改进设计的方向
。
图9　半消声室模型的输出声功率频谱
4　油底壳各部位噪声的贡献
  为了考察油底壳各部位对总体噪声的贡献，根
据油底壳的特点，划分了几个区域(set )，如图10，从发动机前端看，油底壳左侧面(set1)———绿，右侧面(set2)———蓝，前端面(set3)———浅蓝，前下底面(set4)———粉，底面(set5)———深红，后端面(set6)———红。
各区域贡献值表征了油底壳各个区域(set )对整体声功率的贡献，等于只有该区域单元振动而其它区域单元设为刚体时的声功率。  由图中可知，在460Hz 时，油底壳右侧面set2(图10中蓝区域)贡献最大，左侧面set1(图10中绿区域)和底面set5(图10中深红区域)次之，在900Hz 时，前下底面set4(图10中粉区域)较大。在峰值频率为985Hz 时，底面和左侧面较大,345Hz 时，右侧面和底面较大。
为了更清楚的显示贡献较大的具体区域，图15显示了各峰值频率点的法向速度云图。图中红区域法向速度幅值最大，绿次之。蓝最小。
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图10　
油底壳区域模型
图
11
　460Hz 时的各区域贡献值
图12　900Hz 时的各区域贡献值
图13　
985Hz 时的贡献值
结语
  (1
)进行了油底壳的实验模态分析和有限元的模态分析，实验和计算结果比较可知，固有频率最大误差小于10%，吻合较好，证实了油底壳有限元模型的正确性，为后续计算提供了基础。
图14　345Hz 时的贡献值
图15　各峰值频率点的法向速度云图
(2)测取了油底壳螺栓和油底壳表面特征点的
加速度信号，将油底壳螺栓的加速度谱作为激励，进行谐响应分析，表面特征点的计算结果与实测结果
进行了比较，吻合很好，证明了油底壳动态响应计算模型的正确性。并为油底壳辐射声场边界元模型
提供了计算边界。
(3)建立了油底壳的的半消声室模型作为本文的计算模型。由输出声功率曲线到峰值频率点，确定了对辐射噪声贡献较大的频率。又建立了油底壳的区域模型，分析了油底壳各部位在不同峰值频率时对油底壳噪声的贡献率，计算表明，该油底壳右侧面对辐射噪声贡献最大。为将来的结构改进设计提供了基础。
(4)计算结果与实验结果的高度一致表明，利用ANSYS 有限元和SYS NO I SE 噪声分析软件，采用有限元与边界元联合求解的方法进行油底壳的辐射声场模拟是完全可行的，并且可以为低噪声设计提供指导。该方法也可应用于其它零部件的降噪设计。参考文献:
[1]　沃德・海伦，斯蒂芬・拉门兹，波尔・萨斯著.模态分
析理论与试验[M ].北京：北京理工大学出版社,2001.[2]　A.F .Seybert Predicti on of Radiated Noise fr om Engine
Components U sing the BE M and the Rayleigh I ntegral [J ].S AE paper 971954.