单缸汽油机结构辐射噪声预测分析

刘焕领　景亚兵　吕大立　赵鹏辉

（天津大学内燃机研究所　天津　300072）

·设计·计算·

单缸汽油机结构辐射噪声预测分析

刘焕领景亚兵吕大立赵鹏辉

（天津大学内燃机研究所天津300072）

以156FMI单缸汽油机机体为对象，采用有限元法-多体动力学法-边界元法相结合的分析方法对其辐射噪声进行预测。以有限元模型为基础，以多体动力学方法得到的机体表面振动速度为输入，采用边界元法求解出发动机结构辐射噪声。计算结果表明，该发动机结构辐射噪声能量集中的频率带为2 100Hz～2 300 Hz和2 530Hz～2 630 Hz，发动机机体噪声能量集中的部位位于发动机左右曲轴箱盖。为发动机设计改进提供依据，具有较强的实用价值。

单缸汽油机 模态分析 结构辐射噪声 边界元

引言

内燃机的噪声预测工作在20世纪70年代已经开展［1-4］。研究者建立噪声预测模型预测噪声，并通过修改局部结构减少内燃机噪声辐射。C.Y.Cheng和A.F.Seybert首次利用边界元方法对内燃机振动噪声进行了预测研究［5］。Ulrich Viersbach等人通过模态扩张法、有限元和边界元法预测了内燃机整机辐射噪声［6］。AVL和FEV公司对发动机的噪声预测做了大量的研究工作，两公司对整机的结构振动以及辐射噪声都能进行比较精确的计算，能够帮助发动机公司在设计阶段从减振降噪的角度改进发动机的结构，缩短设计周期［7］。

单缸汽油机作为摩托车、农林植保机械、园林机械以及发电机组等产品的动力在我国大量生产、使用。由于结构以及配套产品的使用环境等特点，单缸汽油机的振动比较剧烈，辐射噪声较高，但相关的辐射噪声仿真分析研究却较少。

因此，本文以单缸汽油机为研究对象，建立其有限元模型、多体动力学模型和声学边界元模型，求解发动机的辐射声场。分析结构辐射噪声能量的频率分布，确定主要声源部位，为针对结构辐射噪声的减振降噪提供指导。

1　有限元模型的建立及验证

1.1有限元模型建立

本文研究的发动机型号为156FMI单缸汽油机，发动机三维模型如图1所示。发动机分为曲轴部分和机体部分，机体包括缸盖罩、缸盖、缸体、箱体和左右侧盖6个部件。

图1156　FMI发动机三维模型

发动机主要技术参数如表1所示。

表1　发动机主要技术参数

本文对发动机CAD模型网格划分采用二阶四面体单元，单元尺寸为5 mm。划分网格前对发动机的一些细小特征进行了简化处理，省略了小于2 mm的圆角和油孔等结构；考虑到加强筋会加大结构的刚度，进而对声辐射有较大影响，所以保留所有加强筋结构；缸盖、缸体以及箱体的网格划分主要考虑散热片的厚度以及气缸内壁上的网格形状和尺寸；曲轴模型网格主要考虑主轴颈以及连杆轴颈处的网格形状和尺寸。

机体网格划分完成之后如图2所示，曲轴网格划分完成之后如图3所示。其中机体有单元535 027个，节点278 249个，曲轴有单元44 474个，节点25662个。

图2　机体有限元网格

图3　曲轴有限元网格

1.2模态分析

将零件连接起来并赋予材料属性，见表2，采用LANCZOS方法对模型进行模态求解，提取0～3 000 Hz范围内的所有固有频率，结果见表3。为检验有限元模型的准确性及计算模态分析的有效性，对发动机零部件进行试验模态分析。

表2　材料属性

试验模态分析使用B&K加速度传感器，LMS测试及分析系统，如图4所示，进行模态试验，测试发动机各部件自由模态，结果见表3。

图4　模态测试设备

表3　实验模态与计算模态的对比

对比试验与计算模态分析结果，可知缸盖罩与缸盖的误差在9%以内，说明建立的有限元模型能够表征结构的动态特性，可以利用此模型进行下一步分析。

2　多体动力学模型的建立及求解

以发动机爆发压力为原始激励，建立发动机的多体动力学模型，如图5所示。模型包括了机体、曲轴、连杆以及部件间的相互连接约束，发动机与地面之间的约束。发动机主轴承采用深沟球轴承，轴承型号为63/28。模型利用PID控制器进行发动机转速的控制。

采用多体动力学与有限元法相结合的方法求解机体表面振动响应。通过发动机表面振动速度云图可以反映出不同频率下发动机振动相对较大的位置，如图6所示。

图5　整机多体动力学仿真模型

图6　2 000 Hz时发动机表面振动速度

3　辐射声场的计算分析

3.1边界元模型的建立

采用边界元法求解发动机的辐射噪声。划分发动机边界元网格，导入结构网格以及表面振动速度，建立发动机整机的边界元模型。

在划分声场边界元网格时，一般要求最大单元的边长要小于计算频率最短波长的1/6，对于二阶单元，最大单元的边长要小于计算频率最短波长的1/3。本文分析频率是3 000 Hz，声音在空气中的传播速度是340 m/s。根据上述要求，边界元网格单元的长度应小于18 mm。本文采用网格尺寸为10 mm，划分后的网格如图7所示。该发动机边界元网格含有15 937个节点，18 873个单元。

整机噪声预测模型的边界条件是机体边界元网格的节点振动速度。通过插值算法，将机体结构网格表面节点的振动速度映射到边界元网格节点上。图8所示为2 000 Hz时，表面振动速度转移到机体边界元网格的结果。

为计算发动机的外场辐射噪声，依据ISO3744标准布置外场测点，采用ISO3744中规定的半球形测量表面，考虑到发动机的应用环境为摩托车，选定位于发动机正左侧的1点和位于发动机正右侧的2点作为分析测点。同时在距离发动机曲轴中心线以下0.5 m处布置一反射面，用于模拟地面。场点分布如图9所示。

图7　机体边界元网格

图8　2 000 Hz处机体边界元振动速度

图9　测量表面及场点选取

3.2辐射噪声计算及结果分析

采用边界元法求解发动机由于机体表面振动向外辐射的噪声，频率步长设为25.12 Hz，在3 000 Hz以内，频率数目为119。图10表示了辐射声场的仿真分析结果。图示方向为俯视发动机，图示向上为发动机前端。

图10　2 000 Hz处辐射声场

根据各频率处的辐射声场，计算得到图9中两个测点的频率响应曲线，如图11所示。由频响曲线可看出，两个测点能量比较集中的频率范围是2 100 Hz～2 300 Hz和2 530 Hz～2 630 Hz，两个频率段的能量占0～3 000 Hz频率段总能量的比重如表4所示。从表中可知，这两个频带的总噪声能量分别占到测点1的77%和测点2的92.1%。对于噪声控制，必须首先控制这两个频带的噪声。

图11　测点的频响曲线

表4　频率段能量比重

3.3噪声源识别

针对2 530～2 630 Hz和2100 Hz～2 300 Hz两个频带，分析主要噪声源。按照声源识别的声强法在发动机左右两侧距离表面5 cm处建立平面外场测点网格，计算网格各测点声强，得到左右两个侧面的结构辐射噪声声强云图，从中可以看出2 530～2 630 Hz和2 100 Hz-2 300 Hz两个频带内发动机左右两侧侧盖辐射噪声较大，为主要噪声源，如图12所示。因此通过对左右侧盖的结构优化改进可有效控制频带2 530～2 630 Hz和2 100 Hz～2 300 Hz能量，降低发动机左右两侧测点1和测点2的噪声。

4　结论

1）利用有限元软件建立了发动机的三维模型，通过试验模态分析验证了模型的合理性。并以多体动力学求解出的结果为输入，利用边界元法计算得到了机体表面振动辐射噪声。

2）对计算结果分析得出发动机在2 100 Hz～2 300 Hz和2 530 Hz～2 630 Hz频率段能量较大，并且主要声源位于发动机的左右侧盖。

3）利用本文的分析方法，可以在发动机设计阶段对其辐射噪声进行预测，为方案改进提供依据；从而加快设计速度，减少设计成本，具有很强的工程应用意义。

图12　发动机左右两侧近场声强

1P.J.Yorke.The application of idealization and response analysis［C］.SAE Paper 750836

2Affenzeller，J，Thien.Evaluating engine design for low noise using dynamic structural modeling［C］.SAE Paper 820538

3R.S.Wijetuge，C.J.Brace，J.G.Hawley.Dynamic behavior of a high speed direct injection diesel engine［C］.SAE Paper 990829

4杨强.发动机结构表面噪声仿真研究［D］.重庆：重庆大学，2013

5Cheng，C.，Seybert，A..Recent application of the boundary element method to problems in acoustic［C］.SAE Paper 870997

6Ulrich Viersbach，Ramon Maurell，Pierre Guisse.Engine noise radiation prediction and test comparison［C］.SAE Paper 951342

7刁金冬.F168汽油机结构噪声分析［D］.上海：上海交通大学，2009

Single Cylinder Gasoline Engine Structural Radiation Noise Prediction

Liu Huanling，Jing Yabing，Lv Dali，Zhao Penghui
Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

Based on 156FMI single-cylinder gasoline engine body，the finite element method，multi-body dynamic method and boundary element method analysis method were combined to estimate the radiated noise.Based on the finite element model，with the body surface vibration velocity calculated with the multibody dynamics method as the input，the radiation noise of the engine structure was calculated with the boundary element method.The results show that the energy-concentrated frequency bands were 2100Hz-2300Hz and 2530Hz-2630Hz，and the energy-concentrated parts were located in the left-side crankcase cover and right-side crankcase cover.With huge practical value，the paper provides basis for improving the design of engine.

Single cylinder gasoline engine，Modal analysis，Structure radiation noise，Boundary element

TK411+.6

A

2095-8234（2016）01-0022-05

刘焕领（1982-），女，硕士，主要研究方向为发动机振动与噪声。

2015-06-26）