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汽车技术? Automobile Technology
基于流固耦合的油底壳辐射噪声研究
华晓波刘耀东黄鹏程陈凯
(泛亚汽车技术中心有限公司,上海201201
摘要】为研究机油和油底壳之间的相互影响,基于 Abaqus建立流固耦合模态分析模型,并通过试验验证了该方法的
准确性。结合实测激励进行动态响应分析,得到油底壳表面加速度响应。利用边界元方法,进行油底壳外部声场计算。结
合油底壳模态振型进行结构优化,优化后的油底壳总输出声功率级降低了2.6dB(A)。该方法为油底壳的辐射噪声计算及
减振降噪提供指导。
主题词:油底壳辐射噪声流固耦合
中图分类号:U464.1文献标识码:A文章编号:1000-3703(2017)06-0049-04
Research on Oil Pan Radiative Noise Based on Coupled Fluid-structure
Modal
Hua Xiaobo. Liu Yaod
Pengcheng. Chen Kai
(Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201)
Abstract)In order to study the interactive impact between oil pan and oil, the coupled modal analysis model was
built based on Abaqus with coupled fluid-structure modal, and its accuracy was verified by experiments. The measured
excitation was used to make dynamic response analysis for calculating oil pan surface acceleration response. And th
exterior acoustic field was calculated by the BEM (Boundary Element Method). Optimization was made according to modal
shape, and the overall Sound Power Level(SPL) of the optimized oil pan was decreased by 2.6 db(A). This method may
provide some guidance for the oil pan noise radiation calculation and reduction
Key words: Oil pan, Radiative noise, Coupled fluid-structure
1前言
合振动响应,同时考虑了附加质量和阻尼的影响,可以
目前,油底壳的噪声评估主要有两种方法。一种是保证较高的精度。
本文以某1.0T发动机油底壳为例,利用流固耦合
振动速度法",即通过试验测得油底壳上典型位置的振
的分析方法计算油底壳模态,并结合油底壳辐射声场及
动数据,并结合经验公式进行预测评估。另一种是采用
虚拟仿真的方法,即基于有限元、边界元模拟的预测评
模态特征,提出结构优化方案。
估。本文主要介绍依据第2种方法进行的油底売声场2流固耦合与边界元理论
计算和优化。
2.1流固耦合理论
在计算油底壳振动时,需要考虑机油对油底壳动态
在油底壳与机油组成的流固界面上,结构的振动会
特性造成的影响?。目前,主要有3种方法来模拟机油对机油产生流体负载,而受到扰动的机油同样会对油底
对油底壳振动的影响。一是通过求解流体域的附加売产生一个附加压力。因此在分析该类问题时,必须同
质量,叠加到结构质量矩阵中进行计算,称为附加质时计算流体域的波动方程和固体域的结构动力学方程,
量法?。二是考虑机油的阻尼特性,通过修改结构的阻其分别为:
尼达到相应效果,称为阻尼修正法,但该方法无法体现
M, P+C/ P+K/ P+pi=0
油底壳装油状态下的模态特征。三是采用流固耦合的
Mi+C.i+K、u=F.+F
方法,通过求解耦合的结构流体方程获得油底壳流固耦式中,M,为流体质量矩阵;Cr为流体阻尼矩阵;K为
2017年第6期
万方数据
华晓波,等:基于流固耦合的油底壳辐射噪声研究
流体刚度矩阵;P为节点声压;为节点位移向量;P売前、左、右、下4个侧面(齿轮室侧为前,进气侧为左,
为流体密度;Q为流固界面上的耦合矩阵;M,为固体质排气侧为右)的前两阶频率。试验完成后,倒出全部机
量矩阵;C.为固体阻尼矩阵;K,为固体刚度矩阵;F,为油,经测量为3150mLe
作用于固体上的已知外力;F为流体作用于流固界面
在耦合有限元模型中建立同样体积的机油,利用
上的耦合作用力,其中[Fl=QP。
ABAQUS软件计算得到油底壳加入机油后的模态结
综合式(1)、式(2)得到流固耦合方程:
果。通过观察每阶的模态振型,找到对应油底壳侧面的
M O
C、0Niい*0』L0
K, -Q
前炳阶频率,与试验结果对比见表2。最大误差不超过
(3
5%,说明建立的有限元模型和分析方法具有足够的精
2.2边界元理论
度用于工程计算。
由 Helmholtz积分公式可以计算得到任意结构在外
表2油底壳试验与有限元计算频率对比
部声场D中任意点E的稳态辐射声压p(r):
左
右
方法
AG(r, rs
1阶2阶「1阶2阶」1阶」2阶1阶2阶
C(r)p()=r)
an -ipu. ()(r )ds (4
试验值Hz37215611362831470152215621581
式中,为辐射面S上的位置矢量;为外部声场中的位计算值H37551927?14175195552
置矢量;0为角频率;p(r)、,(r)分别为结构表面声压
误差%10.2710.892.2112.1210.6410.5711.0713.27
和法向振动速度;i=-1;p为流体介质密度;C(r)为
表3为通过有限元方法计算得到的不同机油量下
表面角系数,当E∈D时为1,E∈S时为12,E(DUS)
的油底壳前4阶频率对比。650mL机油时,1阶频率为
时为0;G(rr)为自由空间Gren函数,可以表示为:214H2,比无机油油底売降低了32.1%。3150mL机油
G(、)=",其中R=rー、,k=uC为波数,C为流时,1阶频率为139H,降低了559%该频率小于发动
体介质中的声速。
机最高转速时的点火主谐次频率150Hz,容易发生共
振,从而导致噪声水平明显提升。可见,机油对于油底
3有限元模型与分析方法
壳频率的影响非常显著。
该发动机油底壳采用组合式结构,分为上油底壳売和
表3不同机油量下的油底壳频率对比
下油底売两部分。其中,上油底壳材料为铝,下油底壳
阶次
无机油
650mL机油「3150mL机油
材料为低碳钢板,上下油底壳的刚度差异很大,油底売
的各阶模态振型主要表现在下油底壳。因此,仿真只需
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要针对下油底壳进行。
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