CN104834763B - 获取发动机辐射噪声的方法及发动机设计优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种获取发动机辐射噪声的方法及发动机设计优化方法，通过创建发动机的有限元模型，计算发动机曲轴主轴承载荷，将发动机曲轴主轴承载荷施加到发动机的有限元模型上，计算待设计的发动机的壳体的表面加速度，然后再抽取发动机有限元模型的表面，创建发动机边界元网格模型，将发动机壳体表面振动加速度施加在发动机边界元网格模型上；最后创建发动机辐射噪声分析计算模型，并根据发动机辐射噪声分析计算模型计算发动机辐射噪声，本发明对于延长发动机及其零部件的使用寿命，降低整车振动噪声，改善车辆的舒适性，起到了很好的效果。
Description
技术领域
本发明涉及车辆工程技术领域，尤其涉及一种获取发动机辐射噪声的方法及发动机设计优化方法。
背景技术
汽车发动机是汽车的主要振动与噪声源之一。发动机在运行过程中，发动机缸体内曲轴、连杆、活塞系统运动不平衡产生的附加力和力矩，气缸内气体压力的脉动，活塞与气缸壁之间的摩擦等都会使发动机产生振动，这个振动会传递到发动机壳体，导致壳体产生振动，壳体产生振动的同时向外辐射噪声。
发动机的振动会影响发动机及其零部件的寿命，同时发动机的振动还会通过发动机悬置传递到车身，直接影响到整车的振动噪声水平，因此减小发动机的振动，对延长发动机寿命、降低整车的振动噪声有着重要的意义。
现有的发动机设计和优化的过程，一般都是对已经设计出的发动机实物样机进行辐射噪声的试验测量，对样机进行试验测量后才能发现问题，然后再结合辐射噪声的测量结果，对实物发动机的设计进行修改，这种方式不能在发动机早期设计阶段就发现问题，导致耗费人力物力成本比较大，且整个发动机研发周期较长，影响发动机振动噪声性能的开发效果，从而影响整车振动噪声性能的研发。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种获取发动机辐射噪声的方法及发动机设计优化方法。
基于上述问题，本发明提供的一种获取发动机辐射噪声的方法，包括：
创建发动机的有限元模型；
计算发动机曲轴主轴承载荷；
将发动机曲轴主轴承载荷施加到发动机的有限元模型上，计算发动机壳体表面振动加速度；
抽取所述发动机的有限元模型的表面，创建发动机边界元网格模型，将所述发动机壳体表面振动加速度施加在所述发动机边界元网格模型上；
创建包含所述发动机边界元网格模型的发动机辐射噪声分析计算模型，并根据所述发动机辐射噪声分析计算模型计算发动机辐射噪声。
本发明提供的一种发动机设计优化方法，包括：
使用本发明实施例提供的前述的获取发动机的辐射噪声方法，对待设计的发动机的辐射噪声进行仿真测量；
根据获取到的所述待设计的发动机的辐射噪声，对所述待设计的发动机的结构进行优化。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的获取发动机辐射噪声的方法及发动机设计优化方法，通过创建发动机的有限元模型，计算发动机曲轴主轴承载荷，将发动机曲轴主轴承载荷施加到发动机的有限元模型上，计算待设计的发动机的壳体的表面加速度，然后再抽取发动机有限元模型的表面，创建发动机边界元网格模型，将发动机壳体表面振动加速度施加在发动机边界元网格模型上；最后创建发动机辐射噪声分析计算模型，并根据所述发动机辐射噪声分析计算模型计算发动机辐射噪声，本发明在发动机还处于数字化模型阶段就可以对发动机的辐射噪声进行仿真测量，通过辐射噪声的仿真测量结果，发现发动机结构上薄弱的位置和可能存在的问题，可以有效指导发动机的结构设计和振动噪声性能开发，极大缩短发动机研发周期和节省研发成本，对于延长发动机及其零部件的使用寿命，降低整车振动噪声，改善车辆的舒适性，起到了很好的效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的获取发动机辐射噪声的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的计算发动机曲轴主轴承载荷步骤的流程图；
图3A、3B为本发明实施例提供的9点测量的方法的模型的示意图；
图4为本发明实施例提供的某个测量点的声压曲线的一个示例；
图5为本发明实施例提供的某个测量点仿真测量和实际测量得到的声压曲线的比较图；
图6为本发明实施例提供的发动机的设计优化方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的一种获取发动机辐射噪声的方法、发动机设计优化方法的具体实施方式进行说明。
本发明实施例提供的一种获取发动机辐射噪声的方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S11、创建发动机的有限元模型；
S12、计算发动机曲轴主轴承载荷；
S13、将发动机曲轴主轴承载荷施加到发动机的有限元模型上，计算发动机壳体表面振动加速度；
S14、抽取发动机有限元模型的表面，创建发动机边界元网格模型，将发动机壳体表面振动加速度施加在发动机边界元网格模型上；
本步骤S14中，可以采用例如有限元网格工具hypermesh等软件，抽取发动机有限元模型的表面创建发动机面网格模型，生成的发动机面网格模型就是发动机边界元网格模型。
S15、创建包含发动机边界元网格模型的发动机辐射噪声分析计算模型，并根据发动机辐射噪声分析计算模型计算发动机辐射噪声。
下面分别对上述各步骤进行详细的说明。
上述S11中，可以通过有限元网格划分软件(例如hypermesh)创建发动机的有限元模型，具体创建方式可以参考现有技术中的各种实现方式。
本发明实施例对采用何种有限元网格划分软件并不限定。
上述S12中计算发动机曲轴主轴承载荷的步骤，在具体实施时，可以使用如图2所示的流程实现：
如图2所示，该流程包括：
S21、创建动力总成的有限元模型；
为了分析发动机的曲轴主轴的承载荷，需要对整个动力总成进行动力学的分析计算。在创建动力总成的有限元模型时，需要确定动力总成包含的部件，一般来说，动力总成中至少包含发动机和悬置(用于减少并控制发动机振动的传递，并起到支承作用的动力总成部件)的情况下，就可以满足发动机的曲轴主轴承载荷的计算需要了，更进一步地，还可以在发动机和悬置的基础上，再增加变速箱作为动力总成的有限元模型的一部分。
创建动力总成的有限元模型时，可以使用将发动机、变速箱和动力总成的几何模型(例如CAD模型、UG模型、Pro/E模型等)导入有限元网格划分软件(例如hypermesh)中，分别抽取发动机、变速箱和悬置的几何表面，创建三角形面网格模型，然后由三角形面网格模型再生成四面体网格模型即得到动力总成的有限元模型。
S22、根据创建的动力总成的有限元模型，创建动力总成的动力学模型；
S23、根据所述动力学模型，计算发动机曲轴主轴承载荷。
较佳地，为了缩减后续步骤中对发动机动力学模型进行分析计算过程的计算量，在创建了动力总成的有限元模型之后，还可以对创建好的动力总成的有限元模型进行模态缩减计算。
进行模态缩减计算时，可以使用多用途的有限元分析软件(例如NASTRAN的模态求解器SOL103)对已创建完成的动力总成的有限元模型进行模态缩减计算，下面简单说明使用NASTRAN进行模态缩减的步骤：
1、创建有限元网格模型并保存为bdf格式的模型文件。
将前述动力总成的四面体有限元模型，直接保存为bdf格式模型文件即可。
2、设定模型主自由度。
设定模型主自由度可以采用文本编辑器来设定。
也可以直接在软件中设置模型的主自由度。
采用文本编辑器编写的曲轴主自由度设定文件的一个例子如下：
$Retained Static DOFs(即保存的静态自由度):
ASET1,123456,147368(“ASET”为“节点集”，“123456”表示六自由度，“123456”后为节点号，以下类推)
ASET1,123456,147320
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ASET1,123456,8028
ASET1,123456,8173
ASET1,123456,8318
ASET1,123456,147369
采用文本编辑器编写发动机变速箱和悬置的自由度设定文件一个例子如下所示：
$ASET's cards for the cylinder head(即气缸头部卡片的节点集):
ASET1,3,406964,407133,406717,14598(“ASET”为“节点集”，“3”表示Z轴方向平动自由度，“3”后为各节点号，以下类推)
ASET1,3,406184,701737,405981,359074
ASET1,3,72294,72275,73102,10310
ASET1,3,73136,72327,73188,10283
$-------------------------
$cylinder linners(即汽缸壁):
ASET1,2,175568,175696,175909,175869,136581(“ASET”为“节点集”，“2”表示Y轴方向平动自由度，“2”后为各节点号，以下类推)
ASET1,2,175441,175050,175350,175284,170160
ASET1,2,166503,166902,167402,167314,134479
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$
$-------------------------
$main bearings(即主轴承):
ASET1,23,130558,130563,130568,1605571,1605579,1605617,1606022,1614629(“ASET”为“节点集”，“23”表示Y、Z轴方向平动自由度，“123”表示X、Y、Z轴方向平动自由度,“23”或“123”后为各节点号，以下类推)
ASET1,23,122615,124395,130554,130603,1606062,1606068,1606177,1614787
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ASET1,123,105163,108734,174021,1243457,1243509,1606722,1606733,1618536
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ASET1,23,138216,173932,1067083,1242925,1243195,1607659,1622692,1622832
ASET1,23,1000394,1000418,1000448,1607565,1607958,1607960,1607961,1608254
$
$-------------------------
$engine mounts(即发动机悬置):
ASET1,123,92039474,92039475,92039466(“ASET”为“节点集”，“123”表示X、Y、Z轴方向平动自由度，“123”后为各节点号)
$
$-------------------------
$valve seats(即气门座):
ASET1,23,92039477,THRU,92039492(“ASET”为“节点集”，“23”表示Y、Z轴方向平动自由度，“23”后为各节点号)
$
$-------------------------
$valve spring seats(即气门弹簧座):
ASET1,23,93742281,THRU,93742296(“ASET”为“节点集”，“23”表示Y、Z轴方向平动自由度，“23”后为各节点号)
$-------------------------
$Camshaft bearing forces(即曲轴轴承受力):
ASET1,23,93742297,THRU,93742299(“ASET”为“节点集”，“23”表示Y、Z轴方向平动自由度，“23”后为各节点号)
ASET1,23,93742301,THRU,93742303
ASET1,23,93742304,93742300,93742306,93742305
$-------------------------
$structure results(即结构节点)：
ASET1,123,91063277,91315918,59101(“ASET”为“节点集”，“123”表示X、Y、Z轴方向平动自由度，“123”后为各节点号)
ASET1,123,219026,91044101,91348405,54443,636271
ASET1,123,216158,155436,91018375
$
$oilpan results(即油底壳节点)
ASET1,123,218015,218445,221507,219551(“ASET”为“节点集”，“123”表示X、Y、Z轴方向平动自由度，“123”后为各节点号)
$engine results(即发动机节点)
ASET1,123,244454,3352,24421,235430(“ASET”为“节点集”，“123”表示X、Y、Z轴方向平动自由度，“123”后为各节点号)
3、调用NASTRAN模态求解器SOL103对前面完成自由度设定的动力总成的有限元模型进行模态缩减计算。
4、检查模态缩减的结果。
上述S22即根据创建的动力总成的有限元模型，创建动力总成的动力学模型的步骤，在具体实施时，可以采用发动机结构动力学软件(例如AVL EXCITE等软件)建立发动机动力学模型。
本发明实施例对采用何种发动机机构动力学软件并不做限定，能够实现上述步骤的各种方式均可。
AVL EXCITE是发动机设计专用的非线性多体动力学软件，该软件提供了丰富的发动机、变速箱和悬置的各个零部件模块，选取这些标准的零部件模块，将前述步骤中创建的发动机、变速箱和悬置的四面体有限元网格模型和模态缩减的结果赋给对应的零部件模块，并完善该零部件的其它属性参数，完成该零部件的属性设置。
接下来将动力总成包含的各零部件(发动机、变速箱和悬置等)用标准的连接单元进行连接，如轴承连接，销连接等等。模型连接完成之后进行模型参数设置和仿真计算控制参数设置，模型参数设置可以包括与发动机结构设计相关的各种参数，例如包括：发动机曲轴连杆活塞系统的参数设置、发动机载荷的参数设置和发动机燃油的参数设置等。
上述S23中根据该动力总成的动力学模型，计算发动机曲轴主轴承载荷同样可以使用发动机结构动力学软件(例如AVL EXCITE)完成，在发动机结构动力学软件例如AVLEXCITE中创建完成动力总成的动力学模型之后，在发动机结构动力学软件例如AVL EXCITE软件中执行发动机曲轴主轴承载荷的计算，并保存计算结果。
计算完成之后，可以在发动机结构动力学软件例如AVL EXCITE软件中，将发动机曲轴主轴承载荷结果输出，例如输出为excel格式文件或者其他格式的文件。
上述S13计算发动机壳体表面振动加速度，可以利用有限元分析软件例如MSCNASTRAN对发动机的有限元模型进行频响分析，计算发动机壳体表面振动加速度。
在S13中，并不限于采用MSC NASTRAN这种通用的有限元分析软件进行频响分析，还可以采用其他具有相同或类似功能的软件实现。
由于结构噪声仅仅与结构的最外表面的振动加速度有关，因此，为了达到声学检测的目的，为了实现对发动机辐射噪声的仿真测量，上述S14、S15中，需要抽取发动机有限元模型的表面作为发动机边界元网格模型，进而创建辐射噪声分析计算模型。
进一步地，上述S15中，创建包含发动机边界网格模型的发动机辐射噪声分析计算模型，在具体实施时，可以通过创建声压测量点的模型，并模拟半消声室测量环境创建反射地面模型，由声压测量点模型、发动机边界元网格模型、反射地面模型共同构成发动机辐射噪声分析计算模型。
如发动机辐射噪声测量国家标准《GBT 1859-2000往复式内燃机辐射的空气噪声测量工程法及简易法》中描述，为了定位传声器(测量点)的位置，规定了一个假想基准体，这个基准体是恰好包络发动机并终止于发射面的最小可能矩形六面体，并且，传声器(测量点)位置数及其在测量表面上的定位取决于基准体的尺寸(即取决于发动机的大小)和辐射的噪声空间均匀性，也就是说，不同尺寸的基准体，可能会采用不同数量的测量点，各测量点的位置也在该标准中有详细的规定，常见的发动机通常采用9点测试法，9点测量的方法中各测量点的位置可参照图3A所示的模型。在图3A中，数字1-9分别代表了各测量点在基准体上的位置，当然，如果发动机的尺寸比较大，还可以参考该标准，选取更多的测量点以及对应的位置，这个可以根据实际仿真的发动机的结构和尺寸进行相应的选择。
图3B所示的是参照《GBT 1859-2000往复式内燃机辐射的空气噪声测量工程法及简易法》创建的发动机辐射噪声分析计算模型的示意图，数字1-9标示出测量点的具体位置，从图3B可以看出各测量点与发动机边界元模型之间的关系。
进一步地，上述S15中，可以利用声-振耦合分析软件例如Sysnoise来计算上述步骤中的各声学测量点的声压。当然，本发明实施例并不限于使用Sysnoise来实现该步骤，其他具有相同或类似功能的软件都可。
使用Sysnoise软件的情况下，还可以在Sysnoise软件中，单击Other Analysiscases(其他分析案例)的选项，选择其中Vector to Function Conversion Case的选项，即可对分析计算的计算结果数据转换，得到各测量点的声压频率的响应函数曲线(简称声压曲线)，图4所示的曲线是某个测量点的声压曲线的一个示例。
发明人发现，经过对比试验，发动机辐射声场其中一个点的声压通过上述仿真测量的结果，与发动机实体试验测试结果的测量曲线的数据非常接近，如图5所示，虚线代表测量点仿真测量的结果，实线代表同一个测量点实际测量的结果，从图5可以看出，本发明实施例提供的获取发动机辐射噪声的方法所测量的测量点的声压，能够比较好地模拟真实的发动机负荷和工况条件的辐射噪声，保证了辐射噪声的仿真测量的效果。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种发动机的设计优化方法，由于该方法所解决问题的原理与前述获取发动机的辐射噪声方法相似，因此该方法的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。
本发明实施例还提供了一种发动机的设计优化方法，该方法如图6所示，包括：
S61、使用前述获取发动机的辐射噪声方法，对待设计的发动机的辐射噪声进行仿真测量；
S62、根据获取到的所述待设计的发动机的辐射噪声，对待设计的发动机的结构进行优化。
上述步骤S61中，获取发动机的辐射噪声的方法，参照本发明实施例提供的前述获取发动机的辐射噪声的方法的具体实施方式，在此不再赘述。
本领域的技术人员，可以依据上述步骤S61中获取的待设计的发动机的辐射噪声的结果，发现发动机结构振动较大的区域，从而指导发动机部件结构的优化设计。整个优化过程和仿真测量的过程可能会重复进行多次才能得到较佳的效果，如何利用发动机辐射噪声的结果确定发动机结构振动较大的区域，以及如何对发动机部件结构进行优化的过程可以参考现有技术的做法。
本发明实施例提供的获取发动机辐射噪声的方法及发动机设计优化方法，通过创建发动机的有限元模型，计算发动机曲轴主轴承载荷，将发动机曲轴主轴承载荷施加到发动机的有限元模型上，计算发动机壳体表面振动加速度，然后再抽取发动机有限元模型的表面，创建发动机边界元网格模型，将发动机壳体表面振动加速度施加在发动机边界元网格模型上；最后创建发动机辐射噪声分析计算模型，并根据所述发动机辐射噪声分析计算模型计算发动机辐射噪声，本发明实施例在发动机还处于数字化模型阶段就可以对发动机的辐射噪声进行仿真测量，通过辐射噪声的仿真测量结果，发现发动机结构上薄弱的位置和可能存在的问题，可以有效指导发动机的结构设计和振动噪声性能开发，极大缩短发动机研发周期和节省研发成本，对于延长发动机及其零部件的使用寿命，降低整车振动噪声，改善车辆的舒适性，起到了很好的效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种获取发动机辐射噪声的方法，其特征在于，包括：
创建发动机的有限元模型；
计算发动机曲轴主轴承载荷；
将发动机曲轴主轴承载荷施加到发动机的有限元模型上，计算发动机壳体表面振动加速度；
抽取所述发动机的有限元模型的表面，创建发动机边界元网格模型，将所述发动机壳体表面振动加速度施加在所述发动机边界元网格模型上；
创建包含所述发动机边界元网格模型的发动机辐射噪声分析计算模型，并根据所述发动机辐射噪声分析计算模型计算发动机辐射噪声；
还包括：创建动力总成的有限元模型，所述动力总成包括：发动机、变速箱和悬置；
相应地，所述计算发动机曲轴主轴承载荷，具体包括：
根据创建的动力总成的有限元模型，创建动力总成的动力学模型；
根据所述动力学模型，计算发动机曲轴主轴承载荷；
在创建动力总成的有限元模型之后，还包括：
对创建的所述动力总成的有限元模型进行模态缩减计算；
所述根据创建的动力总成的有限元模型，创建动力总成的动力学模型，具体包括：
将所述动力总成的有限元模型中的发动机、变速箱与悬置的有限元模型和模态缩减计算的结果赋给发动机结构动力学软件中对应的零部件模块；
将发动机、变速箱与悬置对应的零部件模块在所述发动机结构动力学软件中进行连接，创建动力总成的动力学模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将发动机曲轴主轴承载荷施加到发动机的有限元模型上，计算发动机壳体表面振动加速度，包括：
利用有限元分析软件对发动机的有限元模型进行频率响应分析，计算发动机壳体表面振动加速度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，创建包含所述发动机边界元网格模型的发动机辐射噪声分析计算模型，包括：
创建声压测量点的模型，并模拟半消声室测量环境创建反射地面模型；
由所述声压测量点模型、所述发动机边界元网格模型、所述反射地面模型构成发动机辐射噪声分析计算模型。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述发动机辐射噪声分析计算模型计算发动机辐射噪声，包括：
利用声-振耦合分析软件对所述发动机辐射噪声分析计算模型进行分析计算，得到发动机的辐射噪声。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，还包括：
对分析计算得到的计算结果进行数据转换，得到各测量点的声压频率的响应函数曲线。
6.一种发动机设计优化方法，其特征在于，包括：
使用如权利要求1-5任一项所述的获取发动机的辐射噪声方法，对待设计的发动机的辐射噪声进行仿真测量；
根据获取到的所述待设计的发动机的辐射噪声，对所述待设计的发动机的结构进行优化。
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