发动机油底壳的降噪设计

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本文依据整机振动仿真模型获取油底壳连接螺栓传递的激励，对油底壳进行基于NVH计算激励的结构优化分析，通过拓扑优化和形貌优化得到油底壳的材料布局及结构形状，最终达到减重和降噪的目的，为发动机薄壁件的设计提供了有效的指导方法。

0引言

汽车轻量化设计可提高动力性、降低油耗、减少污染，是节能减排的重要措施之一。薄壁件(如正时罩盖、油底壳、气门室罩盖等)是发动机表面振动辐射的主要噪声源，其中油底壳是薄壁件的典型代表，其辐射噪声约占整机噪声的四分之一。近年来各研究部门在对发动机薄壁件通过改进结构降低辐射噪声方面做了很多工作，比如北方发动机研究所的胡定云等对油底壳进行模态计算，从薄壁件固有频率入手通过加筋的方式优化其结构刚度，长安汽车张磊等根据对发动机薄壁件测试结果，通过弱点分析对油底壳进行局部和加强筋优化，中北大学张光炯等在油底壳结构确定的情况下对油底壳拓扑优化，根据优化结果的密度阀值大小而增减油底壳的壁厚尺寸。

本文依据整机振动仿真模型获取油底壳连接螺栓传递的激励，对油底壳进行基于NVH计算激励的结构优化分析，通过拓扑优化和形貌优化得到油底壳的材料布局及结构形状，最终达到减重和降噪的目的，为发动机薄壁件的设计提供了有效的指导方法。油底壳的优化流程如图1所示。

图1油底壳优化流程

1频响分析

研究表明，结构表面辐射噪声的声功率与表面振动功率如关系公式(2)，而表面振动功率与介质阻抗特性、振动表面积、振动速度有关。介质阻抗取决于介质密度和传播速度，振动表面积受发动机布置影响，对于确定的发动机一般可认为前两项是常值，因此薄壁件设计可通过限制振动速度来控制结构表面辐射噪声。用振动速度的均方根表示表面辐射噪声，有振动功率公式：

频响分析是计算结构在稳态振动激励下的响应。在频响分析中，激励载荷在频域中显式定义，对应于每一个加载频率的外载都是已知的，外载可以是力或者强迫运动，频响分析得出的结果通常是节点位移、速度、加速度。使用模态叠加法进行频响分析，一般多自由度系统动力学问题的基本方程为：

(3)

其中：[M]—系统质量矩阵，[C]一系统阻尼矩阵，[K]—系统刚度矩阵，{F(t)}—激励力，{x}—系统位移向量。给定某一状态下的激励力，求解动力学方程即可得出相应的加速度、速度、位移响应，经过傅里叶变换可得到频域上的动力学响应。

发动机激励载荷通过薄壁件的安装螺栓传递，载荷提取一般有两种途径:一是通过NVH测试获得实测激励，二是通过整机NVHCAE计算获得仿真激励。本次分析采用第二种方法，在全速全负荷工况下，对关注的频率范围内进行分析。参考NVH测试传感器的布置位置取做频响分析的振动响应点，通过分析得到响应点的振动速度曲线。图2为油底壳原始设计方案的各侧响应点振动速度曲线。

图2油底壳原始方案的各侧响应点振动速度曲线

2薄壁件优化

2.1拓扑优化

拓扑优化是在给定的设计空间内寻求最佳材料分布，其设计变量是模型区域内单元的相对密度，优化结果的材料分布根据密度阀值确定，密度大于指定阀值会显示有材料，小于阀值则无材料。根据发动机布置要求，油底壳内腔需要避让机油泵、吸油器、机油隔板的安装空间。油底壳的密封法兰及螺栓安装位置均在设计前已确定，因此避让内腔零件安装后的剩余空间作为设计域，密封法兰和螺栓孔作为非设计域，油底壳设计空间如图3所示。