浅析CAE分析在发动机振动噪声开发中的应用

喻博轩 喻占武

摘 要：结合发动机振动噪声开发需求，本文对CAE技术展开了分析，并对技术应用原理和方法进行了探讨。结合实例对CAE技术进行运用，完成发动机有限元分析模型建立，采用多体动力学分析方法和边界元法进行整机表面振动加速度计算，得到的结果与台架试验结果相吻合，用于噪声开发能够取得理想的降噪效果。

关键词：CAE分析;汽车发动机;振动噪声

1 引言

在汽车驾驶的过程中，发动机噪声过大将造成汽车噪声总水平提升，影响汽车驾驶舒适度。在发动机噪声标准得到逐步提高的背景下，对发动机振动噪声进行开发，需要加强先进技术的应用，以便在解决发动机噪声辐射问题的同时，降低开发成本。应用CAE展开仿真分析，能够实现发动机振动噪声预测分析，提前采取措施改善结构声品质，因此能够满足汽车开发需求。

2 CAE分析技术概述

CAE为计算机辅助工程分析的英文缩写，能够在计算机辅助下完成复杂工程和产的结构力学性能分析，实现结构性能优化，使工程各环节得到有机组织。应用CAE的关键在于对工程整个生命周期的信息进行集成，利用有限元法、有限差分法等各种数学方法完成结构力学分析。针对复杂工程结构强度、动力响应、刚度、多体接触等力学性能展开分析，应用CAE可以采用近似数值分析方法展开计算，将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，通过分析离散体得到能够满足工程精度的近似结果，用于代替实际结构分析，使工程设计上无法解决的问题得到解决[1]。而伴随着CAE技术的分析发展，算法和理论都得到了逐步完善，衍生出的CAE软件有较多种，用于性能分析和模拟需要完成前处理、有限元分析、后处理三个过程，完成实体建模和分析处理，根据工程设计要求和分析结果辅助用户对方案的合理性进行判断。

3 CAE分析在发动机振动噪声开发中的应用

3.1 应用原理

在汽车发动机振动噪声开发中，应用CAE分析能够在零部件及发动机整体未制造出来时对各种特性展开分析计算，实现结构动态特性预测。对于弹性结构来讲，振动模态为结构固有特性，通过分析结构各阶模态主要特征，可以对固定频段内结构振动模态进行预知。经过验证后，可以将分析得到的参数用于发动机设计，使发动机振动噪声得到减小。采用CAE分析方法，主要通过有限元计算完成数值模态分析，能够利用模态变换矩阵实现复杂自由度系统解耦，经过系列单自由度系统振动线性叠加，能够完成结构动力特性分析[2]。在汽车发动机中，噪声主要来自于机械噪声和燃烧噪声，需要通过零部件表面向外辐射。根据声学理论可知，噪声将在振动面积和振动速度同时较大的位置上集中。通过噪声测试和频谱分析，能够对噪声最大频率范围进行确认，然后通过声源定位确定辐射噪声最大的零件。通过模态分析，能够对零部件在固定频率下的振型进行计算，确定振动面积最大位置，采用加强筋等措施缩小面积或改变频率，最终达到降噪目标。

3.2 应用方法

应用CAE对汽车发动机进行模态分析的过程，实际就是利用相关软件完成多自由度系统特征值和特征向量分析的过程，凭借软件后处理功能可以实现振型和固有频率的动态显示。发动机作为复杂连动机构，包含缸体、缸盖、曲柄连杆系等多个部件，先要采用多体动力学分析方法完成发动机各种激励计算，然后采用有限元分析法进行整机表面振动加速度计算。在此基础上，需要利用边界元方法进行整机辐射噪声计算。采用整机振动噪声试验台架开展试验，将试验结果与软件仿真分析结果进行对比，能够确定方法是否具有可行性，能否完成发动机噪声的高效分析，为噪声处理提供依据。

在多体动力学分析时，可以采用EXCITE-PU软件完成发动机曲轴动力学建模，针对燃烧载荷激励，利用曲柄连杆机构将结构往复运动转换为旋转运动，完成相应模型的构建。采用EXCITE-PR，能够完成活塞动力学建模，提供推力激励。采用EXCITE-TD，能够完成正时阀系激励模型的建立，提供凸轮轴、弹簧落座力、张紧器等零部件激励。利用ProE软件，可以完成发动机3D模型的建立，利用Hypermesh软件进行有限元网格划分。在模型中，缸盖、轴承盖、铸件支架、缸体等属于二阶四面体，利用壳单元可以进行油底壳、冲压支架的网格划分，利用质量单元可以进行增压器等部件的替代，并实现对应转动惯量、质量的附属。采用Tie和KINCOUP能够实现网格建立，各部件附属相应材料属性，可以得到约70万网格数量[3]。运用建立的各种模型对发动机工作固定工况进行运算，使对应发动机表面振动加速度得到恢复，可以完成加速度分析。采用LMS Virtual.Lab软件对发动机一米噪声分析模型进行建立，能够运用边界元法获得噪声仿真数据。开展噪声测试时，利用五点法进行固定转速对应各位置噪声的测试。与试验数据进行比对，可以完成模型合理性验证。

3.3 应用举例

3.3.1 模型建立

如图1所示，为某汽车发动机有限元模型，采用边界元理论可以完成振动噪声声学包络网格的建立。得到的网格紧贴有限元网格，属于一阶四边形壳网格，能够将振动传递至声学保络网格上。从声学有限元分析角度来看，结构法线方向上场点声压与振动速度间存在线性关系。在小压力扰动条件下，对发动机结构表面进行离散分析，能够得到某点声压p={ATV（w）}{v（w）}，其中ATV指的是声学传递向量，w则是角频率，v为法线上的振动速度。采用软件完成曲轴动力学建模分析，可以得到发动机表面振动加速度。作为声学输入端，利用LMS Virtual.Lab软件能够得到声传递向量。将其当成是传递函数，可以得到声场中某点声压值。

3.3.2 分析结果

在与五点法试验结果进行比较时，需要在声学网格外距离发动机各端面1m位置完成包络网格的建立，从中选取排气侧、气门室罩盖等位置的对应场点，实现声压级分析结果提取，然后对各点平均值进行计算。从分析结果来看，在4000rpm工况下，模型仿真分析得到的平均声压级为92dB（A），试验值为94dB（A），目标值为90dB（A）;在5000rpm工况下，仿真得到的声壓级为102dB（A），试验值为105dB（A），目标值为98dB（A）;在6000rpm工况下，仿真得到的声压级为103dB（A），试验值为106dB（A），目标值为100dB（A）。试验值之所以高出仿真值，主要是因为由链轮等附属系统引发的噪声未在模型中进行考虑。而由于仿真结果和试验结果均比目标值大，因此需要从噪声源着手实现降噪处理。

3.3.3 噪声开发

结合分析结果，在噪声开发方面需要完成发动机设计参数优化。实际操作中，如果更改燃烧室、活塞缸等部位的设计，将导致发动机经济性、排放性能等受到影响，需要重新进行设计校核，成本过高。因此需要采用排除优化激励源的方法，在发动机辐射表面增设加强筋，促使结构整体刚度得到提高，达到降低振动激励的目标。采取该种措施，也能提高发动机固有频率，促使结构远离振动频率段范围。对优化后的结构展开仿真分析，可以发现4000rpm工况下平均声压级降为87dB（A），5000rpm工况声压级降为96dB（A），6000rpm工况下声压级降为98dB（A），获得了明显的降噪效果。为对方法有效性进行验证，进行台架试验可以发现，4000rpm工况下发动机整体平均声压级降低2dB（A），5000rpm工况声压级降低4dB（A），6000rpm工况下声压级降低5dB（A），能够与模型仿真分析结果相吻合，因此可以证明模型仿真分析结果具有可靠性。

4 结论

综上所述，在汽车发动机振动噪声开发方面，应用CAE展开分析能够通过建模完成结构振动特性分析，为结构降噪处理提供依据。从方法验证结果来看，模型仿真分析结果与试验相吻合，能够保证分析结果的合理性，因此也能够为噪声开发提供支持。

参考文献：

[1]刘海刚，刘进伟，朱明超，等.某单缸汽油发动机振动噪声预测[J].内燃机与配件，2019（16）：86-89.

[2]许国强.发动机振动噪声试验室规划建设研究[J].汽车实用技术，2019（06）：124-125.

[3]黄森.发动机振动噪声控制[J].汽车工艺师，2016（01）：74-75.