柴油机油底壳噪声优化控制

邓红喜 陈浩 黄文星 薛福英 吴习文 秦盼盼

（1-江苏四达动力机械集团有限公司江苏无锡2140002-江铃汽车股份有限公司3-江苏大学）

柴油机油底壳噪声优化控制

邓红喜1陈浩1黄文星2薛福英3吴习文3秦盼盼3

（1-江苏四达动力机械集团有限公司江苏无锡2140002-江铃汽车股份有限公司3-江苏大学）

以一台四缸增压柴油机的油底壳为研究对象，通过建立该油底壳的有限元模型，并利用ANSYS软件对其进行有限元模态分析。然后采用材料优化和结构优化改进措施，对油底壳噪声进行优化控制，最后通过噪声对比试验验证其降噪效果。结果表明，优化改进后，油底壳的固有频率和模态振型都得到了改善，其近声场声压级降低了1.87dB（A），发动机整机噪声声功率级降低了0.62dB（A），达到了一定的降噪效果，同时对壳类薄壁零件的降噪工作具有一定的指导意义。

柴油机油底壳噪声控制有限元分析

引言

在发动机的所有零部件中，作为薄壁件的油底壳具有声辐射面积大的特点，是发动机噪声的主要辐射源之一，其辐射噪声可占发动机表面总辐射噪声的20%左右[1，2]。同时其结构动态特性与振动响应特性对发动机整机性能的影响也比较显著，因此降低油底壳辐射噪声是控制发动机噪声的一个重要环节[3，4]。

振动噪声问题的解决越来越紧迫，传统的设计改进方法已显得力不从心，先进的现代设计与分析手段不断涌现，其中模态分析技术发挥了重要作用[5]。对于特定机型的油底壳来说，它结构复杂，是一个多自由度系统，具有多阶固有频率和模态振型[6]。利用有限元模态分析计算，得到该油底壳固有频率和振型，指导对油底壳进行优化改进，如改变油底壳的形貌结构、材料属性等，从而改变油底壳的固有频率、质量、刚度分布和阻尼特性，改进其模态，并且避开一定工况下的外界激振频率带，从而降低其辐射噪声。

本文以一台四缸增压柴油机的油底壳为研究对象，首先利用有限元软件为工具，建立其有限元模型，并利用ANSYS软件对其进行有限元模态分析，分析油底壳的动态特性，进而采取针对性的优化改进措施，从而达到降低油底壳辐射噪声的目的，同时为壳类薄壁零件的降噪改进提供指导。

1 油底壳有限元建模及模态分析

1.1 几何模型的简化与有限元模型的建立

采用三维建模软件PRO/E，按柴油机油底壳实际结构建立物理模型，在建立有限元模型前对油底壳实体模型进行一定简化，主要为：

1）油底壳上面的游标尺管尺寸很小，忽略了这一细微的部件；

2）将放油螺栓省略，因为放油螺栓对油底壳模态的影响极小。

这样建模和计算更为简单，结合面处的26颗螺栓孔全部按照实际大小和安装位置画出[7]，图1为简化后的油底壳的几何模型。

图1 油底壳简化后的几何模型

因为油底壳为薄壳结构，在进行有限元分析的过程中，采用了SHELL单元，其结构厚度用实常数来表示。利用PRO/E与HyperMesh软件之间的接口，将PRO/E中建立好的油底壳几何模型导入到HyperMesh中，在HyperMesh中抽取油底壳中面，并进行几何清理。定义单元类型为Shell单元，且为3节点与4节点单元共同组成的混合体单元，通过设置总体的单元尺寸，对油底壳进行均匀的智能网格划分。

有限元网格划分好之后需要确定油底壳的材料。柴油机油底壳是薄钢板冲压成型，其材料特性如表1所示。

由于油底壳在工作时是固定在机体上的，此时的模态与油底壳处于自由状态时的模态有所不同。因此计算了最接近实际工作时的处于结合面固定状态的油底壳模态，这时将处于26颗油底壳螺栓位置的关键点的所有自由度全部约束，作为边界条件处理，得到的油底壳有限元模型如图2所示。

表1 油底壳的材料特性参数

图2 油底壳的有限元模型

1.2 有限元模态计算及结果分析

将前面所建立油底壳的有限元网格模型导入ANSYS软件中，并进行自由模态计算，从而获得油底壳的各阶固有频率与相应的模态振型。由于所关心的是低阶模态，所以选用BlockLanczos（分块兰索斯法）提取油底壳的前六阶振动模态，求解得该油底壳的各阶模态振型如图3所示。

表2为油底壳有限元模态分析求得的固有频率及模态特征。从表中可以看出，油底壳在约束状态下，模态比较密集，其前六阶频率值在300 Hz～700 Hz之间，即在低中频范围内，而其激发的噪声频率的范围正好处在人耳听觉比较敏感的频率范围内。

表2 原油底壳各阶固有频率及模态特征

图3 原油底壳各阶模态振型图

从前六阶模态振型图可以看出：该油底壳在约束状态下的模态特征主要表现为局部的振动，各板的弯曲振型相当复杂，分别存在一个、两个甚至四个波数的波形，并且不同部位振动幅值相差很大；油底壳左右两侧板的振型基本呈现对称或者反对称的形式。油底壳前侧面的尺寸相对较小，结构紧凑，故其刚度较大，因此振动量不大。而后侧板面积尺寸较大，故其刚度相对较小，当激振频率为627 Hz左右时，后侧板发生共振，振动量较大。个别模态比如第六阶表现为油底壳不同侧面的振型叠加，其模态表现为上下底面同时鼓胀共振，能量分布较为均匀。

因此可以知道，该油底壳振动幅度较大的部位是上下底面、左右侧面和后侧面，这几处都是很有可能引起低频共振的部位。结构振动较大的部位，多是能量集中的部位，也是对整体而言刚度较为薄弱的部位，基于油底壳的优化改进方案也主要从这几个侧面入手[8]。

2 油底壳噪声的控制优化

2.1 油底壳的改进优化

建立了油底壳的有限元模型，并利用模态分析技术求解了其振动特性参数，已经具备了进行噪声优化控制的基本条件，可以通过优化参数来确定。针对噪声的特性，对该柴油机油底壳的辐射噪声进行控制优化。

油底壳的结构优化需要兼顾几个方面：一是噪声辐射最小；二是增加的质量不能太大；三是不影响油底壳的安装和拆卸；四是机油容积变化不能过大。综合考虑这几方面，再加之对原油底壳的有限元分析，为了有效地增强结构刚度，降低其辐射噪声，对该油底壳进行材料特性优化和形貌结构优化。

2.1.1 油底壳的材料特性优化

原油底壳为钢板冲压成型的薄壳结构，其质量轻而且刚度小，很容易由于发动机机体的振动产生的激振力使其与发动机发生共振，从而产生噪声。且钢板油底壳作为薄壁件，其隔噪效果差，而铸铝油底壳刚度好，吸声和隔声效果都要优于钢板。该柴油机主要用于农用机械，可以改变油底壳的材料，适当增加其厚度和重量来提高油底壳的结构刚度，同时综合考虑油底壳的结构优化需要兼顾的条件。改进后的铸铝油底壳的材料特性参数为：厚度T=6 mm，弹性模量E=69000 MPa，泊松比μ=0.34，密度ρ= 2650 kg/m3。

2.1.2 油底壳的形貌结构优化

该油底壳约束状态下的模态特征主要表现为局部的振动，侧面和底面的大部分平面是油底壳的主要振动部位，改进时应从这类平面着手。同时需要注意的是，油底壳是多自由度系统，无论是自由模态，还是约束模态，都存在很多阶。针对两种模态的优化，都可能发生某一阶的节点使另一阶模态位移变大或者影响到附近的区域，因此不能通过加一个板或仅仅提高一处的刚度来提高壳体整体的刚度，必须综合考虑。

结构振动较大的部位，多是能量集中的部位，也是对整体而言刚度较为薄弱的部位，对油底壳的主要辐射部位进行加筋处理，不仅可以提高油底壳刚度，同时又把几个侧板和底板联系在了一起，这样对侧面的同相或者反相的振动都有牵制作用，从而在一定程度上起到了分散振动能量的作用。

2.2 油底壳改进优化后的模态分析

油底壳采用铸铝材料，并对其侧面和底面采用加筋处理，得到优化改进后的油底壳的几何模型如图4所示。

图4 铸铝加筋油底壳的几何模型

将处理好的有限元网格模型导入ANSYS中，应用ANSYS软件对铸铝油底壳进行模态分析，求解得该油底壳的前六阶固有频率和模态振型。

从表3可以看出，通过改变油底壳材料，原油底壳的各阶固有频率都得到了很大幅度的提高，其一阶固有频率提高了148.5%。由于原油底壳前几阶固有频率离共振区太近，采用铸铝加筋油底壳后，其固有频率远离了共振区域，从而避开部分低频范围内的共振，可以降低油底壳的振动辐射噪声。

改进后的油底壳约束状态下的主要模态振型如图5所示。表4给出了铸铝加筋油底壳各阶固有频率及模态特征。

图5 铸铝加筋油底壳各阶模态振型图

表3 油底壳优化改进前后各阶固有频率对比

表4 铸铝加筋油底壳各阶固有频率及模态特征

与原油底壳相比，铸铝加筋油底壳的各阶模态振型都发生了显著的变化。如第二阶振型由波数为1的下底板的鼓胀，变为波数为2的左右侧板的同向鼓胀；第三阶振型由波数为2的左右侧板同向鼓胀，变为波数为2的下底板的前后鼓胀；第五阶振型由波数为1的后板鼓胀，变为波数为2的左右侧板的同向鼓胀；这是由于油底壳材料和厚度的不同，导致了油底壳壳体内部质量和刚度分布有所改变，从而导致了振型的变化。

此外，改进后的油底壳发生明显振动的部位增加，使得油底壳的局部振动特性和局部振动强度降低，提高了整体振动特性和整体振动强度，在一定程度上分散了能量作用强度，从而降低油底壳的辐射噪声。

2.3 油底壳改进优化后的降噪效果

在油底壳优化改进前后，分别对发动机进行噪声对比试验，得到原油底壳与铸铝加筋油底壳的近声场1/3倍频程频谱对比曲线如图6所示。

从图6可以看出，铸铝加筋油底壳与原油底壳相比，其低中频范围内的噪声声压级得到了明显的降低。究其原因，是因为原油底壳前六阶固有频率主要集中在300Hz～700Hz之间，很容易发生低频共振，而采取铸铝加筋措施后，其各阶固有频率得到了较大的提高，前六阶固有频率主要分布在800Hz～ 1800Hz之间，远离了共振区域，从而避开了低频范围的共振，使得其低频噪声明显降低。

另外，从图中频谱对比曲线可以知道，在大部分频率段，铸铝加筋措施对油底壳的辐射噪声都有很好的抑制作用，尤其是在对某些峰值的抑制上，其近声场各频率处的声压级明显降低。这是由于在优化改进后，油底壳的内部质量和刚度的分布都发生了变化，其整体结构刚度得到了提高，同时在一定程度上分散了振动能量的作用强度，从而降低了油底壳的辐射噪声。

试验结果表明，油底壳在优化改进后，其近声场声压级降低了1.87dB（A）的同时，发动机整机噪声声功率级也降低了0.62dB（A）。

图6 油底壳优化前后其近声场1/3倍频程频谱曲线对比图

3 结论

本文以某柴油机油底壳为研究对象，利用ANSYS软件对其进行有限元模态分析，获得其前六阶固有频率主要分布在300～700Hz的低中频范围内，且油底壳振动幅度较大的部位是上下底面、左右侧面和后侧面。

对油底壳进行材料优化和结构优化，分别采取铸铝油底壳和铸铝油底壳加筋措施后，油底壳各阶固有频率都得到了较大的提高，其前六阶固有频率主要分布在800Hz～1800Hz之间，远离了共振区域。此外，改进后的油底壳发生明显振动的部位增加，在一定程度上分散了振动能量的作用强度，其模态振型得到了较大的改善。

油底壳在优化改进后，其近声场声压级降低了1.87dB（A）的同时，发动机整机噪声声功率级也降低了0.62dB（A），达到了一定的降噪效果，验证了有限元分析技术在噪声控制优化中的作用，同时对壳类薄壁零件的降噪具有一定的指导意义。

1贾维新，郝志勇，杨金才.发动机油底壳辐射噪声预测方法的研究[J].内燃机学报，2005，23（3）：269～273

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5宋宝安.柴油机低噪声结构动态设计方法的研究[D].天津：天津大学，2007

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7Yuan Zhaocheng，Zhang Liang.Modal analysis and structure analysis for oil pan of 4118Z diesel engine[J].Automotive Engineering，2001，23：156～159

8AQ Liu，SP Lim，ST Chow.Statistieal energy analysis on the damping effect of the oil pan on engine vibration[J].Applied Acoustics，1991（2）：131～141

Noise Optimization and Control of a Diesel Engine Oil Pan

Deng Hongxi1，Chen Hao1，Huang Wenxing2，Xue Fuying3，Wu Xiwen3，Qin Panpan3
1-Jiangsu Sida Power Mechanical Group Co.，Ltd.（Wuxi，Jiangsu，214000，China）2-Jiangling Motors Co.，Ltd.3-Jiangsu University

The oil pan of a 4-cylinder turbocharged diesel engine is taken as the research object，a finite element model of the oil pan is established for calculating modal analysis with the ANSYS.The material optimization and structure optimization measures are used to control the noise of oil pan.The effect of noise reduction of oil pan is verified by test.The results show that the natural frequency and modal vibration mode of oil pan are improved after optimization，its sound pressure level near sound field is reduced by 1.87 dB（A）and the sound power level of the engine is reduced by 0.62 dB（A）.It is effective in noise reduction.It is a reference on noise reduction for the same type thin-shell parts.

Diese engine，Oil pan，Noise control，FEM

TK421.6

A

2095-8234（2014）05-0060-07

2014-07-28）

邓红喜（1973-），男，工程师，主要从事内燃机性能优化、排放研究工作。