0 引言
汽車輕量化設計可提高動力性、降低油耗、減少污染，是節(jié)能減排的重要措施之一。薄壁件(如正時罩蓋、油底殼、氣門室罩蓋等)是發(fā)動機表面振動輻射的主要噪聲源，其中油底殼是薄壁件的典型代表，其輻射噪聲約占整機噪聲的四分之一。近年來各研究部門在對發(fā)動機薄壁件通過改進結構降低輻射噪聲方面做了很多工作，比如北方發(fā)動機研究所的胡定云等對油底殼進行模態(tài)計算，從薄壁件固有頻率入手通過加筋的方式優(yōu)化其結構剛度，長安汽車張磊等根據(jù)對發(fā)動機薄壁件測試結果，通過弱點分析對油底殼進行局部和加強筋優(yōu)化，中北大學張光炯等在油底殼結構確定的情況下對油底殼拓撲優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結果的密度閥值大小而增減油底殼的壁厚尺寸。
本文依據(jù)整機振動仿真模型獲取油底殼連接螺栓傳遞的激勵，對油底殼進行基于NVH計算激勵的結構優(yōu)化分析，通過拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化得到油底殼的材料布局及結構形狀，最終達到減重和降噪的目的，為發(fā)動機薄壁件的設計提供了有效的指導方法。油底殼的優(yōu)化流程如圖1所示。
圖1 油底殼優(yōu)化流程
1 頻響分析
研究表明，結構表面輻射噪聲的聲功率與表面振動功率如關系公式(2)，而表面振動功率與介質阻抗特性、振動表面積、振動速度有關。介質阻抗取決于介質密度和傳播速度，振動表面積受發(fā)動機布置影響，對于確定的發(fā)動機一般可認為前兩項是常值，因此薄壁件設計可通過限制振動速度來控制結構表面輻射噪聲。用振動速度的均方根表示表面輻射噪聲，有振動功率公式：
頻響分析是計算結構在穩(wěn)態(tài)振動激勵下的響應。在頻響分析中，激勵載荷在頻域中顯式定義，對應于每一個加載頻率的外載都是已知的，外載可以是力或者強迫運動，頻響分析得出的結果通常是節(jié)點位移、速度、加速度。使用模態(tài)疊加法進行頻響分析，一般多自由度系統(tǒng)動力學問題的基本方程為：
其中：[M]—系統(tǒng)質量矩陣，[C]一系統(tǒng)阻尼矩陣，[K]—系統(tǒng)剛度矩陣，{F(t)}—激勵力，{x}—系統(tǒng)位移向量。給定某一狀態(tài)下的激勵力，求解動力學方程即可得出相應的加速度、速度、位移響應，經過傅里葉變換可得到頻域上的動力學響應。
發(fā)動機激勵載荷通過薄壁件的安裝螺栓傳遞，載荷提取一般有兩種途徑:一是通過NVH測試獲得實測激勵，二是通過整機NVHCAE計算獲得仿真激勵。本次分析采用第二種方法，在全速全負荷工況下，對關注的頻率范圍內進行分析。參考NVH測試傳感器的布置位置取做頻響分析的振動響應點，通過分析得到響應點的振動速度曲線。圖2為油底殼原始設計方案的各側響應點振動速度曲線。
圖2 油底殼原始方案的各側響應點振動速度曲線
2 薄壁件優(yōu)化
2.1 拓撲優(yōu)化
拓撲優(yōu)化是在給定的設計空間內尋求最佳材料分布，其設計變量是模型區(qū)域內單元的相對密度，優(yōu)化結果的材料分布根據(jù)密度閥值確定，密度大于指定閥值會顯示有材料，小于閥值則無材料。根據(jù)發(fā)動機布置要求，油底殼內腔需要避讓機油泵、吸油器、機油隔板的安裝空間。油底殼的密封法蘭及螺栓安裝位置均在設計前已確定，因此避讓內腔零件安裝后的剩余空間作為設計域，密封法蘭和螺栓孔作為非設計域，油底殼設計空間如圖3所示。
圖3 油底殼設計空間
結合設計空間模型，油底殼拓撲優(yōu)化采用數(shù)學表達如下：
其中：
x一設計變量，Mass(x)—優(yōu)化后重量，Vk(x)—各響應點振動速度，A一振動速度限值，B一重量限值，Tj(x)—加強筋厚度，C、D一加強筋厚度限值。
優(yōu)化技術得到推廣還需考慮制造加工性，若現(xiàn)有工藝條件下不能被加工，或加工成本很高的優(yōu)化結果，沒有任何實用價值。因此優(yōu)化中還考慮了控制結構成員尺寸大小，內、外腔拔模等制造工藝約束。綜合以上因素，經過多次迭代計算收斂，獲得可行設計方案，優(yōu)化結果密度閥值取0.3,拓撲優(yōu)化結果如圖4所示。
圖4 油底殼拓撲優(yōu)化過程
根據(jù)拓撲優(yōu)化結果對油底殼加強筋布置位置和形狀進行提取并二次設計，加強筋的布置位置及截面形狀是增加結構剛度的重要手段，建議截面盡可能設計為凸弧形或梯形，減少凹弧形或三角形，便于提高側壁面的剛度。加強筋截面形狀如圖5所示。
圖5 加強筋截面形狀
2.2 形貌優(yōu)化
形貌優(yōu)化由設定的起筋高度、寬度等參數(shù)，在可設計域中根據(jù)節(jié)點擾動生成薄壁結構的強化壓痕，用于提高結構強度、剛度等要求，優(yōu)化過程不刪除材料。因油底殼底面結構平而大，易向外輻射噪聲，需在拓撲優(yōu)化基礎上，對油底殼底部再進行形貌優(yōu)化，增加其底部剛度。優(yōu)化目標使底面一階頻率最大，底部形貌優(yōu)化結果如圖6所示。
圖6 油底殼底部形貌優(yōu)化
3 優(yōu)化模型分析對比
薄壁件的質量、剛度相對發(fā)動機曲軸箱較小，其結構上的局部變化對箱體傳遞過來的振動激勵影響不大，油底殼優(yōu)化設計前后的方案對比如圖7所示。優(yōu)化后油底殼減重約l00g，油底殼振動響應點處的振動速度相比優(yōu)化前有不同程度的降低，振動速度曲線對比結果如圖8所示，各項性能指標改善對比如表1所示。
圖7 油底殼優(yōu)化前后設計對比
圖8 油底殼優(yōu)化前后響應點振動速度對比
表1 優(yōu)化后各性能指標改善情況
4 結論
本文從減重與降噪兩對立面考慮，結合結構振動理論及優(yōu)化設計方法，對薄壁件進行頻響分析和優(yōu)化設計，最終達到減重、降噪的目的。分析結論如下：
(1)薄壁件作為發(fā)動機表面輻射的主要噪聲源，可以通過改善結構剛度，控制結構表面的振動速度有效控制表面輻射噪聲；
(2)采用振動理論及優(yōu)化設計方法，對薄壁件進行頻響分析和優(yōu)化設計，使得優(yōu)化后的油底殼重量相比原方案減輕，同時各壁面的振動速度比原方案有明顯的降低；
(3)通過采用拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化技術，為發(fā)動機薄壁件的設計提供了有效的指導方法。
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本文標題：發(fā)動機油底殼的降噪設計
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