专利名称：汽车发动机机油盘振动噪声性能分析方法
技术领域：
本发明涉及对汽车发动机机油盘振动噪声进行分析的方法。
背景技术：
在没有完整的发动机CAE装配模型和输入条件时，在没有试制样件或者即使有 样件但得不到完整的试验数据时，没有有效的方法评估汽车发动机机油盘部件振动噪声 性能。

发明内容
本发明的目的是一种通过四种分析对汽车发动机机油盘振动噪声性能分析的方法。本发明包括四个方面，机油盘的动态响应分析、隔声与辐射声分析、组合件的 整体阻尼分析、机油盘结构件振动噪声性能评价；
a、发动机质心处或者机油盘的各螺栓孔处输入力载荷，用频响法或瞬态法有效地分 析与模拟发动机机油盘的动力学响应；
b、用声学边界元模型与边界条件处理方法进行机油盘辐射声场分析与隔声性能分
析；
C、采用材料特性拟合方法分析组合机油盘与复合材料机油盘的振动噪声性能，即通 过结构有限元的应变能分析得到组合结构件与复合材料机油盘的损失系数；
d、以辐射声功率、声传递损失及场点的声音品质评价机油盘振动噪声性能；
e、组合件的整体阻尼分析汽车发动机机油盘结构件的声音品质特性首先通过场点 的声音回放由人的主观感受来分析和评价，得到的声品质主观评价结果可以应用于后续 的成对比较法中。本发明在产品开发设计前期、实物样件试制之前，用CAE分析手段对产品振动 噪声性能分析与预测，指导产品设计方案改进与优化，有效地降低产品开发风险，减少 样件试制数量与轮次而减少试制费用。旨在汽车发动机机油盘开发设计时，探索仅对机 油盘本身振动噪声性能分析与评估方法，由此为汽车发动机机油盘的设计结构优化、材 料选型、工艺设计等提供关于振动噪声性能评估依据。本发明的技术方案在国内首次提出，未见过类似提案、论文等，具有全新的 CAE分析方法探索与工程应用指导意义，弥补了在仿真技术对汽车发动机结构件振动 噪声性能评价的空白，适用于任何材料、任何组合件的振动噪声性能评价，理论根据明 确，分析结果可靠，无论在产品开发设计前期还是试制完成后的对比评价，成为汽车发 动机附件设计开发的有效方法，缩短了开发周期，节省了人力和物力。对声音品质的研 究意义深远，因为现代噪声控制包括两个层面，其一是降低噪声的声压级，其二就是调 节产品的声音特性。通过后续的成对比较法和噪声优化，能够消除总体噪声中令人烦躁 的成分，营造一个舒适的车内外环境。


图1是发动机整机的质心处输入力载的模拟图； 图2是发动机机油盘各螺栓孔处输入力载的模拟图； 图3是辐射声分析模型； 图4是刚性边界条件定义；图5是发动机各工况下机油盘的辐射声功率级分布； 图6是机油盘各部位对辐射声功率的贡献量； 图7是隔声分析模型； 图8是机油盘的声传递损失频谱； 图9是机油盘某一侧1米远处场点声音合成； 图10是实施例中两种机油盘1000Hz内的模态计算结果； 图11是实施例中钢板机油盘的结构有限元模型； 图12是实施例中降噪机油盘的结构有限元模型；图13是实施例中辐射噪声贡献量分析中各板的定位，图中panel 1侧面、panel 2前底部、panel3后底部、panel 4前部、panel 5斜坡；图14是实施例中机油盘辐射声计算模型；图15是实施例中两种机油盘辐射声功率频谱 图16是实施例中钢板机油盘板对辐射声功率的贡献量；图17是实施例中降噪机油盘板对辐射声功率的贡献量；图18是实施例中机油盘隔声计算模型；图19是实施例中两种机油盘声传递损失频谱 图20是实施例中钢板机油盘透射声功率频谱(IOHz 1000Hz)；图21是实施例中钢板机油盘透射声功率频谱(1010Hz 2000Hz)图22是实施例中钢板机油盘透射声功率频谱(2010Hz 3000Hz)图23是实施例中降噪机油盘透射声功率频谱(IOHz 1000Hz)；图24是实施例中降噪机油盘透射声功率频谱(1010Hz 2000Hz)图25是实施例中降噪机油盘透射声功率频谱(2010Hz 3000Hz)图26是实施例中场点21127处钢板机油盘的辐射声音采集图；图27是实施例中场点76891处降噪机油盘的辐射声音采集图。
具体实施方式
本发明包括四个方面，机油盘的动态响应分析、隔声与辐射声分析、组合件的 整体阻尼分析、机油盘结构件振动噪声性能评价；a、发动机质心处或者机油盘的各螺栓孔处输入力载荷，用频响法或瞬态法有效地分 析与模拟发动机机油盘的动力学响应；b、用声学边界元模型与边界条件处理方法进行机油盘辐射声场分析与隔声性能分析；C、采用材料特性拟合方法分析组合机油盘与复合材料机油盘的振动噪声性能，即通过结构有限元的应变能分析得到组合结构件与复合材料机油盘的损失系数；
d、以辐射声功率、声传递损失及场点的声音品质评价机油盘振动噪声性能；
e、组合件的整体阻尼分析汽车发动机机油盘结构件的声音品质特性首先通过场点 的声音回放由人的主观感受来分析和评价，得到的声品质主观评价结果可以应用于后续 的成对比较法中。从动态响应分析、隔声与辐射声分析、组合件的整体阻尼分析、机油盘结构件 振动噪声性能评价等，提出机油盘振动噪声性能分析方法。用频响法或瞬态法有效地分析与模拟发动机机油盘的动力学响应。用声学边界元模型与边界条件处理方法进行机油盘辐射声场分析与隔声性能分 析。采用材料特性拟合方法分析组合机油盘与复合材料机油盘的振动噪声性能，即 通过结构有限元的应变能分析得到组合结构件的损失系数。用辐射声功率、声传递损失及场点的声音品质评价机油盘振动噪声性能。通过场点的声音回放由人的主观感受来分析和评价汽车发动机机油盘结构件的 声音品质特性。具体的分析方法描述如下
1、发动机质心处或者机油盘的各螺栓孔处输入力载荷，用频响法或瞬态法有效地分 析与模拟发动机机油盘的动力学响应。结构件受简谐激励时，相应的动力学方程如式(4)所示。Mx〃 +Cx' +Kx = F(CO)(4)
上式中M、C、K分别为结构的质量阵、阻尼阵、刚度阵；F(co)为力载荷；χ"、 χ'、χ分别为加速度向量、速度向量、位移向量。在频域内进行动态响应模拟时激励频率从零扩展到动态分析所需要的上限频 率，因为在中低频段发动机整机的结构振动较大，所以如果只是关心结构振动问题则上 限截止频率到几千赫兹，但是如果此动态分析作为后续声学分析的依据则上限截止频率 需要更高，这完全取决于具体工况中所感兴趣的频率范围。在时域内进行动态相应模拟时激励时间从零延续到动态分析所需要的上限截止 时间，而且要保证分析时间间隔不大于所需要的分析上限频率之逆，分析时间间隔也由 具体工况中所感兴趣的频率范围而定。在没有发动机整机的三维数据但具备惯性参数时，在频域或时间域通过质心处 施加力载荷进行机油盘的动态响应分析(图1)，图1的分析中所需要的参数有发动机整 机的质量、质心、转动惯量特性(即，参考坐标系三个轴的转动惯量Ixx、Iyy、Izz和三个 惯性积Ixy、Iyz、Izx)、机油盘的弹性模量、泊松比、质量密度以及阻尼比。发动机整机 的惯性参数及质心、质量因发动机机型而异，所以应根据实际测得的数据来进行模拟， 通过有限元方法换算出不包括油底壳的剩余装配件的惯性参数，换算时应保证参考坐标 系的统一。有限元模型中生成集中质量单元所用的参数如下
结构件的质量M= / P dv；
关于X轴的转动惯量Ixx= / P (y2+z2) dv；
关于Y轴的转动惯量Ivv= / P (x2+z2) dv；关于Z轴的转动惯量Izz= / P (y2+x2) dv； 对X、Y轴的惯性积Ixy= f P χ y dv ； 对Y、Z轴的惯性积Izy= f P yzdv； 对Ζ、X轴的惯性积Izx= f P zxdv ； 其中，P为结构质量密度，ν为体积。
在没有发动机整机的三维数据也不具备惯性参数时，直接在机油盘各螺栓孔施 加频域或时间域内的力载荷(图2)，图2的分析中所需要的参数有机油盘的弹性模量、 泊松比、质量密度、阻尼比，这四个材料参数中的前三个可以在材料手册中查到也可以 通过试验测得，而模态阻尼比由模态试验提供数据。
输入载荷时考虑实际运转时发动机转速和主要阶次频率，每个工况下的载荷力 为虚拟力载荷(输入力的单位牛顿)，由此来定性地分析机油盘的动态响应。
2、用声学边界元模型与边界条件处理方法进行机油盘辐射声场分析与隔声性能 分析。
机油盘的噪声性能分析是在放掉机油盘中的机油状态下进行，在边界元分析 中假定流体是均勻介质，所用的声学特性参数有标准空气中的声速与质量密度声速 =340m/s ；密度=1.225kg/m3。
辐射声场分析中考虑声学分析精度而且根据结构有限元模型和声学边界元模型 的拓扑形状正确定义结构件的映射传递数据精度(图3)。根据声学分析上限频率决定边 界元网格的大小，声学边界元分析上限频率与边界元网格大小的关系如下对于一次边界元，f _含C / 6* L _ ； 对于二次边界元，f _含C / 3* L _。
其中f _为声学分析最高频率； C为声速；L _为最大边界元网格大小。
结构有限元模型和声学边界元模型间的振动数据传递用几何插值算法，插值节 点间距应保证结构振动数据不会因最大间距定义的不合理而丢失，至少，声学模型的每 个节点数据由结构模型上的四个节点数据参与映射。
在机油盘顶部生成刚性面，通过刚性边界条件定义(即，表面速度为零，图4) 防止机油盘内表面振动引起的噪声干扰，这就保证了只由机油盘表面振动引起的结构辐 射噪声数据的可靠。
用边界元法模拟机油盘的隔声分析，考虑声学分析精度以及空气流体中的声与 结构件的完全耦合，防声墙的模拟做到准确定位声源输入场与透射声场，声源类型为模 拟扩散场的分布平面波，根据结构件的几何形状生成正确的场点模型以保证透射声的准 确度。防声墙定义在XY平面上但是边界元模型的部分或全部节点可以不在XY平面， 如果机油盘模型中的自由边界不在XY平面则需要添加单元来弥补自由边界与防声墙之间 的空隙以避免声漏现象(图5)。机油盘的开口端(即通过螺栓与发动机缸体连接的那 一面)的单元在XY平面上并具有零压差和零速度差，即赋予此面为从一侧到另一侧是 连续的、完全透明的边界条件。透射声场中的场点模型为自由场中用来全封闭机油盘的
3.采用材料特性拟合方法分析组合机油盘与复合材料机油盘的振动噪声性能， 即通过结构有限元的应变能分析得到组合结构件与复合材料机油盘的损失系数，如式(1) 所示。
权利要求
1. 一种汽车发动机机油盘振动噪声性能分析方法，其特征在于包括四个方面，机 油盘的动态响应分析、隔声与辐射声分析、组合件的整体阻尼分析、机油盘结构件振动 噪声性能评价；a、发动机质心处或者机油盘的各螺栓孔处输入力载荷，用频响法或瞬态法有效地分 析与模拟发动机机油盘的动力学响应；b、用声学边界元模型与边界条件处理方法进行机油盘辐射声场分析与隔声性能分析；C、采用材料特性拟合方法分析组合机油盘与复合材料机油盘的振动噪声性能，即通 过结构有限元的应变能分析得到组合结构件与复合材料机油盘的损失系数；d、以辐射声功率、声传递损失及场点的声音品质评价机油盘振动噪声性能；e、组合件的整体阻尼分析汽车发动机机油盘结构件的声音品质特性首先通过场点 的声音回放由人的主观感受来分析和评价，得到的声品质主观评价结果可以应用于后续 的成对比较法中。
全文摘要
一种汽车发动机机油盘振动噪声性能分析方法，涉及对汽车发动机机油盘振动噪声进行分析的方法。本发明从动态响应分析、隔声与辐射声分析、组合件的整体阻尼分析、机油盘结构件振动噪声性能评价等，提出机油盘振动噪声性能分析方法，为汽车发动机机油盘的设计结构优化、材料选型、工艺设计等提供关于振动噪声性能评估依据,具有全新的CAE分析探索与工程应用指导意义，本方法适用于任何材料、任何组合件的振动噪声性能评价，理论根据明确，分析结果可靠，成为汽车发动机附件设计开发的有效方法，缩短了开发周期，节省了人力和物力。
文档编号G01M7/02GK102023074SQ201010537698
公开日2011年4月20日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者朴英子 申请人:中国第一汽车集团公司