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发动机薄壁件主要噪声贡献模态的研究与应用

熊飞  
【摘要】:随着汽车科技与汽车消费水平的不断发展,汽车行业的竞争日趋激烈,对汽车NVH性能及声品质性能的要求也越来越高。薄壁件主要分布安装于发动机的表面,它们所产生的噪声约占整机表面辐射噪声的40~50%,是发动机的主要辐射噪声源。由于发动机是汽车最主要的振动、噪声源,因此,研究发动机薄壁件的振声特性对控制发动机整机乃至整车的噪声有着非常重要的意义。本文从低噪声结构设计与低响度结构设计为切入点,以发动机三大薄壁件之一的正时罩为例,研究了薄壁件声学性能及主要声学模态分析的方法,主要研究内容和进展从以下两个方面展开。针对传统低噪声控制采用模态追踪法确定目标模态的不确定性问题,本文提出了一种主要噪声贡献模态分析法。该方法可以计算任意频率处的每阶运行模态的噪声贡献量,为结构优化提供依据。采用一阶四面体建立正时罩有限元模型,计算每个单元的刚度矩阵及质量矩阵,再集成得到结构的刚度矩阵及质量矩阵,并计算结构的模态频率及模态振型。将多体动力学计算得到的螺栓孔激励力施加于用于模拟安装约束的理想弹簧单元上,采用模态叠加法计算正时罩动力学响应。通过模态测试及表面振动速度测试的结果验证了有限元建模和动力学响应的准确性。将复杂结构的正时罩等效为若干个活塞式声源,将动力学计算的振动速度映射到声学网格上,进行声学预测。文中以正时罩为为例,采用表面振动速度法计算辐射声功率测试值,并与声功率的计算值比较,二者相对误差为3.9%。运用耦合法来进行主要噪声贡献模态分析,得到任意频率点处的每阶模态对噪声的贡献量。确定了第一阶、第三阶、第四阶及第五阶模态为该正时罩的噪声主要贡献模态,并针对此4阶模态改进了加强筋布置。改进后分析频段内的辐射噪声总值降低1.17dB。以改善声品质参数之一的响度为目标进行正时罩改进设计。分析了辐射噪声的响度特性,确定了对响度贡献较大的第一阶、第五阶及第七阶约束模态进行多目标拓扑优化设计。依据拓扑优化得到的密度云图,布置了正时罩的加强筋。改进后的正时罩的辐射噪声响度相对原结构降低6.7%,声品质性能得到改善。


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