AVL EXCITE用于車輛降噪的發動機仿真
[摘要] 噪聲和振動工程已成為汽車工業擴大市場的重要因素。不用置疑,在中國為區別產品優劣和滿足外部噪聲法規,NVH(噪聲、振動和粗暴)問題越來越重要。
與配置良好的工程試驗方法一道,發動機噪聲輻射和振動的仿真已頻繁應用于發動機的開發過程中。仿真的基本方法仍然在不斷發展,并獲得穩步提高。本文著重討論發動機計算聲學的當前常用方法,并展望新方法和新技術,可在不久的將來應用在發動機和車輛的開發過程中。
概述
為減少城市環境的噪聲污染,并滿足不斷增長的舒適性要求,需要低噪聲的車用發動機和動力總成。因此在設計階段,需要適用廣泛的仿真方法和軟件工具,來分析噪聲的產生和傳遞至機體或總成的復雜物理現象。
AVL EXCITE正是為這些應用而開發的,它結合杰出的仿真技術,可實現發動機動力學和噪聲的仿真計算,獲得接近真值的理想結果[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。
1 前言
當車輛在公路上高速行駛時,風聲和輪胎噪聲是主導的,但在城鎮中使用時,發動機則是最重要的噪聲源。由于法規旨在降低城鎮環境噪聲污染,故低噪聲發動機是降低車輛噪聲的重要手段。
測量技術已在過去的時間里得到發展、應用和報道。由加窗及隨后的其它處理方法,可成功獲取單一噪聲源,進而估計單一噪聲源在車輛行駛總噪聲中的主導貢獻,包括考慮噪聲源輻射的方向性、傳播和反射,或使用車輛近場大型麥克風陣[4]。可確定的單一噪聲源常來自發動機表面、油底殼、齒輪箱表面、排氣口、排氣消聲器、排氣管、進氣口、進氣管表面以及輪胎(與道路)等。圖1 為一實例。
圖1 行駛噪聲源分析實例
圖2 世界范圍產柴油機典型的1m 噪聲級,根據DIN 45636 (SAE J1074)
圖3 為一典型的聲強測量結果,可有效獲得發動機聲學特征,并確定單個部件對聲功率的貢獻[5]。
圖3 聲強測量結果,獲得單個部件對聲功率的貢獻
發動機基本振動可通過測量和模擬仿真來了解[1]。低頻段,大約到第7 倍頻程,氣體力和軸系慣性力是最主要的因素;高頻機械噪聲中,活塞敲擊噪聲,配氣機構和正時驅動,齒輪箱部件成為主導因素。曲軸箱的概念和設計決定了動力總成的全局振動行為以及軸系激勵至機體表面的傳遞。最后,如油底殼、閥蓋等部件的表面局部振動也影響噪聲輻射。
2 發動機導致的車輛外部噪聲的仿真
2.1 基于有限元法的發動機NVH 仿真
當前廣泛使用的發動機有限元仿真是發動機開發過程中有效而重要的技術,可用來確定降低NVH 的潛力。
圖4 為簡要框圖,用于探測發動機NVH 的改進潛力。基于三維CAD 數據、材料數據、基本發動機數據等,可建立用于NVH 計算的有限元模型。對現有原形的發動機,可使用模態分析結果來校驗有限元模型。同時,如燃氣壓力、齒輪系、配氣機構和活塞敲擊等激勵力可計算得到,并施加在有限元模型上。
圖4 用于探究發動機NVH 改進潛力的數值仿真簡要框圖
針對得到的關鍵問題,可修改結構和/或激勵,調整仿真模型并重新計算動力學行為。這些“優化循環”可理想地趨向確定目標,如圖4 所示。
依靠嚴格的邊界條件,如發動機設計參數和計算獲取的激勵,基于有限元分析的發動機NVH 改進潛力的探究,基本上大約需10 人月的工作量,參見圖4。采用“并行過程”,即通過開發過程中的并行合作可有效縮減工作量。
圖5 顯示計算得到的一8 缸轎車用發動機的表面振動級。“強迫振動”計算結果清楚顯示了預測的高噪聲輻射的關鍵區域。然后提出降低振動級和輻射噪聲的設計和/或激勵的修改方案。仿真目標就是最終獲得外表面振動級均勻分布的結構。
圖5 計算得到的8 缸轎車發動機的倍頻程(1000Hz)表面振動級(dB)
3 行駛噪聲模擬
近來AVL 進行了廣泛的研發工作,開發出基于發動機、進排氣噪聲源的車輛行駛噪聲的仿真方法[4]。使用該新方法,可在首個車輛原形制造前預測車輛模型發出的噪聲。
使用基于邊界元分析的數值工具,可仿真計算車輛行駛噪聲。圖6 顯示了由發動機噪聲導致的一輕卡的行駛噪聲級的計算結果。所使的邊界元模型定義了6000個線性單元。
圖6 一輕卡在125Hz 下的輻射聲壓
當前的研究活動正瞄準于“整體系統水平”即“虛擬汽車”的仿真上。
4 動力學計算的理論基礎
4.1 仿真趨勢
對于先進的發動機和車輛動力學仿真分析,以下趨勢和要求的重要性在不斷增加[6]。
需考慮全局運動和局部變形的相互影響。縫隙和間隙的物理效應需采用適當的模型來模擬,而無須調
整參數。這些要求特別存在于運動的發動機軸系模擬中,在燃氣壓力和質量力(引起當地應力)作用下,同
時存在全局旋轉運動和振動。該兩類運動形式的相互作用導致非線性慣性力(如:陀螺效應)。另外,軸承
油膜強烈影響當地結構變形。
AVL EXCITE 是為這樣的目的而開發的非線性多體動力學軟件,可仿真發動機和總成的動力學和聲
學。軟件基本方法是利用了這樣的事實:在非線性機械系統中,結構中大部分部位仍為線彈性行為。因此,
在仿真模型中區分為線彈性部件(如曲軸、連桿等)和非線性連接體(如軸承)。這樣,該軟件可模擬復
雜結構,諸如整個動力總成。雖然模型復雜,卻有良好的計算效率,并在高達3.5kHz 的范圍內有效。
4.2 基本數學框架
AVL EXCITE 中大的彈性結構可由足夠數量的剛性離散質量來描述。這些離散質量滿足古典線性系統振動方程,其擴展形式是:

還有,離散質量運動的振動方程,由線性動量原理給出每一整個彈性體的全局運動方程(2):



由于系統非線性特征,求解是在時域中進行的。AVL EXCITE 確定初始條件并提供可變步長的有效的積分方法。給定外載的時間歷程,并在每一時間步長下迭代計算連接體載荷及額外的慣性力。隨后結果可轉換到頻域。
5 用AVL-EXCITE 進行動力總成的動力學和聲學仿真
5.1 應用
AVL EXCITE 應用于動力總成的振動和聲學的實例,參見[7]。
瞬態載荷(發動機循環),用于應力和疲勞分析,如主軸承壁、發動機懸置和輔助支架。
1) 低頻范圍-發動機懸置和支架的設計和分析。
2) 預測結構產生的噪聲(絕對表面速度級)。
3) 識別潛在的噪聲大的結構部件。
4) 分析噪聲的機械激勵機理。
5) 支持低噪聲發動機設計優化。
6) 設計參數的影響分析(材料、軸承間隙、飛輪和減振器設計、曲軸剛度等。
5.2 計算方法
仿真是基于將非線性機械系統分割成線彈性子系統和僅產生在這些子系統間相互作用的非線性連接體,線彈性體模型通過極度非線性的連接體相互作用(如:滑動軸承或活塞/缸套的油膜)。
彈性體經有限元模型壓縮獲得縮減結構矩陣。由與有限元求解器的接口將數據傳遞到EXCITE。聲學應用的典型模型包含數十萬個自由度,通過縮減得到1500 ~3000 個主自由度。為此,需結合靜態和動態壓縮方法,來滿足計算要求。
所述方法能仿真如整個動力總成的復雜結構,可達3.5kHz 的頻率范圍,得到有效高效精確的計算結果。
激勵力可施加在仿真模型的任一體上。為考慮配氣機構和正時驅動,可使用AVL TYCON 計算如凸輪軸軸承、閥座、彈簧力、皮帶輪力矩、齒輪或搖臂軸承力、正時驅動張緊器和導向器等激勵。聲學應用中,EXCITE 可考慮活塞二次運動的敲擊力,使用活塞-缸套接觸模型并讀入AVLGLIDE 的活塞動力學的分析結果。
5.3 功能和特點
(1) 前處理
應用動力總成的前處理,能快速簡捷地生成模型,減少整個過程時間。
1) 自動化的曲軸模型生成器(AutoSHAFT) 。
2) 自動找尋連接體和載荷(邊界條件)的節點組。
3) 方便輸入從AVL TYCON 和 AVL GLIDE 得到的外載數據。
4) 發動機懸置模型的參數判別。
5) 支持模型變參設定和定義計算工況。
6) 許多工具,如彈性體壓縮控制文件的自動生成。
7) 與MSC/NASTRAN, ABAQUS 和ANSYS 的有限元接口。
(2) 連接體
EXCITE 的一重要特征是有許多不同類型的連接體模型,可根據應用要求來耦合各個發動機部件。
1) 增強型HD:液體動力學軸承連接體,考慮軸承內的彎曲變形并傳遞力矩。
2) 線性和非線性彈簧/阻尼器,如可作徑向軸承。
3) 活塞-缸套的干接觸(粗糙接觸)模型,適用于NVH。
4) 活塞導向(用于單質量活塞模型中),并可施加AVL GLIDE 得到的敲擊力。
5) EHD(可選):用于滑動軸承和活塞-缸套接觸的完全彈性液體動力學模型。
6) 專門的發動機懸置連接體,能根據測量的動剛度自動進行參數識別。
7) 扭振減振器。
8) 皮帶輪的皮帶線性連接體。
(3) 剛體
結構部件可模擬為剛體(如發動機機體),由用戶定義質量特性,并任意與彈性體組合。
(4) Shaft Modeler / AutoSHAFT
該工具能有效幫助結構化曲軸模型的生成。
(5) 與AVL TYCON 的聯合計算
正時驅動的激勵力可離線或在線聯合計算來考慮。因此整個發動機可考慮正時驅動和/或手工傳動系統,同時考慮動力總成部件相互作用導致的最終影響。
(6) 自動化的二維后處理
1) 快速瀏覽計算結果。
2) 彩圖, Campbell 圖, 多種結果數據運算操作(FFT,均值等)。
3) 預制通用模板,可添加模板。
4) 報告自動生成(包括比較不同的計算工況結果)。
(7) 三維后處理和動畫AVL IMPRESS
在時域中,可動畫顯示未縮減有限元模型的動力學行為,如:全局運動、位移、速度、加速度,以及連接體結果,如壓力、間隙、填充率等。
(8) 聲學后處理提供多種表面速度結果的評價功能
1) XYZ 分量級,最大級,表面法向級
2) 單頻率級,倍頻程、1/3 倍頻程積分級,用戶自定義頻段
3) 選擇區域和部件的積分平均級
(9) 聲學后處理
使用EXCITE專門工具(針對MSC/NASTRAN, ABAQUS 或 ANSYS 模型)或商用有限元求解器本身(MSC/NASTRAN),將數據恢復到未縮減的模型上,可進行聲學后處理。
5.4 優點
1) 用于應力和疲勞分析的瞬態載荷(發動機循環)計算,使設計接近耐久極限,如主軸承壁。
2) 達3.5kHz 的精度高的結構噪聲級計算。
3) 詳盡的連接體模型可分析試驗難以獲得的軸系噪聲的生成機理。
4) 非固定發動機加速過程的計算,來探究臨界共振。
5) EXCITE – TYCON 的聯合計算-同時計算整個系統(帶正時驅動的發動機,發動機+傳動)。
6) 設計階段的噪聲優化-極大減少試驗工作量。
6 結論
當前車輛開發過程中,還沒有達到能使用“完全的”車輛數值模型的先進階段,即考慮所有相關激勵和結構部件。為實現車輛所有相關聲學特性的虛擬建模,還需不斷提升計算能力和已知計算技術。但發動機噪聲輻射和發動機振動的仿真已成為當前常用技術,廣泛應用于發動機開發過程中。AVL EXCITE 正是為這些應用而開發的,它結合杰出的仿真技術,可實現發動機動力學和噪聲的仿真計算,獲得接近真值的理想結果。
參考資料
1 Priebsch, H.H.; Loibnegger, B.; Pramberger, H.. “Simulation of Engine Noise – Influence of Design Parameters”, JSAE 1998, 20.5. - 22.5. Pacific Convention Plaza Yokohama, Japan
2 Loibnegger, B.; Pramberger, H.; Rainer G.Ph.: “Zusammenwirken von MSC/NASTRAN mit dem Mehrk?rpersystem AVL/EXCITE für akustische Berechnungen von Motoren”, MSC-Anwenderkonferenz, München, 26. – 27. September 1996
3 Rainer G.Ph.; Gschweitl, E.; Pramberger, H.: “Dynamische Analysen von Motorbauteilen unter Verwendung gro?er FE-Modelle”, Deutschsprachige MSC-Anwenderkonferenz, Frankfurt, September 1995
4 Pflueger, M.; Biermayer, W.; Priebsch, H.H.: “Simulation and Experimental Analysis of the Engine-Induced Vehicle Exterior Noise”, Styrian Noise, Vibration & Harshness Congress, Graz, 22.05.2003 - 23.05.2003
5 Pfl ueger, M.; Rust, A.; Resch, T.: ”Stand der Technik und Perspektiven in der rechnergestützten Motorakustik”, Wiener Motorensymposium, Wien, 25.04.02-26.04.02
6 Loibnegger, B.; Resch, T.; Zmire, B.: “Enhanced Crankshaft Vibration and Stress Analysis“, 19th CAD-FEM Users’ Meeting 2001, International Congress on FEM Technology, Hotel Dorint Sanssouci, Berlin, Potsdam, October 17-19, 2001
7 Product Description AVL-EXCITE v6.0: “Dynamics and Acoustics of Power Units”, April 2003
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