梁永勤 张军

摘要：以某发动机动力总成为对象，采用多参考点最小二乘复频域法，通过模态试验测得振动响应，以获得发动机模态参数及振型。同时采用有限元-多体动力学-边界元相结合的方法，对其声场和表面振动速度进行预测。结果表明：该发动机前四阶模态主要以弯曲和绕X轴一阶扭转为主，发动机辐射噪声能量及表面振动主要集中在进、排气侧，频带为450～650Hz。研究结果为发动机设计改进提供依据，对发动机设计具有较强的实用价值。

Abstract： Taking a certain engine powertrain as the object， using the multi-reference point least squares complex frequency domain method， the vibration response is measured through modal tests to obtain engine modal parameters and vibration shapes. At the same time， the combination of finite element-multibody dynamics-boundary element method is used to predict the sound field and surface vibration velocity. The results show that the first four modes of the engine are mainly bending and first-order torsion around the X axis， and the engine radiated noise energy and surface vibration are mainly concentrated on the intake and exhaust sides， with a frequency band of 450 Hz to 650 Hz. The research results provide a basis for the improvement of engine design and have strong practical value for engine design.

关键词：动力总成;模态分析;辐射噪声;振动预测

Key words：powertrain;modal analysis;radiation noise;vibration prediction

中图分类号：S219.031                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）11-0070-03

0  引言

发动机动力总成是汽车的主要噪声振动来源之一，其特性将直接影响汽车的NVH（noise，vibration and harshness），对发动机动力总成的设计和优化需确定准确的模态参数，为后续有限元-多体动力学联合仿真确定准确有效的仿真模型。张武等对动力总成悬置系统运行模态进行了研究[1]，指出多参考点最小二乘复频域法对密集模态系统参数识别精度较高。张云侠在对3100QB柴油机体模态分析中指出，模态分析是下一步的发动机设计及优化的基础工作，意义重大[2]。Ugur Olmez对某柴油发电机进行了模态分析和噪声预测，获得了发电机组的高频噪声频率范围。对发动机及其主要零部件进行模态分析，设定一定的目标值[4-6]，在设计阶段就能够从减振降噪的出发点改善发动机结构，缩短设计开发周期，取得较好的结果。

因此，本文以某发动机为研究对象，建立起动力总成多参数点模态分析模型，分析其模态振型及模态参数，同时运用有限元模型、多體动力学模型相结合[7-8]，使用边界元法对发动机噪声频率及表面振动进行了分析，为下一步的发动机减振降噪优化提供指导。

1  发动机有限元模型的建立及验证

1.1 有限元模型的建立

本文研究的为某四缸发动机，发动机三维模型如图1所示。将整机分为九个总成：曲轴系总成，缸体总成，缸盖总成，缸盖罩，正时盖，油底壳，变速箱，进、排气系统等。

发动机主要的技术参数如表1所示。

本文对发动机三维模型划分网格采用二阶四面体单元，单元大小平均为6～8mm。主轴颈上设定5个主自由度节点，均匀分布于轴瓦宽度内;曲柄销上设定一个主自由度节点。网格划分完后，缸体有单元373967个，节点653759个，曲轴总成有单元100082个，节点175363个。发动机总计有单元1281984个，节点数2305926个。

1.2 模态分析

将发动机赋予材料属性并采用LANCZOS方法对模型进行模态求解，提取0～1200Hz范围内固有频率。为检验有限元魔性的准确性和计算模态的有效性，对发动机总成进行了试验模态分析。

动力总成采用悬吊装置并在软件中设置多个测点，测点基本反映了动力总成的轮廓特征并将测点按照实际位置建立连接，动力总成试验现场和分析模型如图2所示。

试验模态和计算模态结果如表2所示。

对比试验模态与计算模态分析结果，可见动力总成与模态误差在8%以内，说明建立的发动机有限元模型能够表现动力总成的动态特性，模型可以用于下一步的分析。

2  多体动力学模型的建立和求解

以发动机激励为输入，在EXCITE中建立发动机多体动力学模型，如图3所示，模型包括发动机机体、曲轴总成及部件间相互约束等关键因素。

采用多体动力学与有限元方法相结合的方法，求解机体表面振动速度，通过发动机模型表面振动速度可以反映不同频率下动力总成振动较大的位置，在630Hz时动力总成表面振动速度如图4所示。

由图4可知，振动速度最大的位置主要分布在发动机进、排气两侧。

3  发动机声场及表面振动分析

为计算动力总成的辐射噪声，通过EXCITE得到表面振动速度后，将震动结果作为声学计算的声源，建立场点网格作为声学接收端，各个方向距发动机表面50cm，同时在距机体表面1m处分别在正时罩、变速箱、油底壳、缸盖罩、进气侧和排气侧放置麦克风，分布如图5所示。

对发动机在最大扭矩点和额定功率点各麦克风进行分析，提取出声压级最大峰值点，其对应频率和声压级如表3所示。

由表3可知，最大扭矩点和额定功率点最大声压级低于90dBA，其最大声压级频率主要为450Hz和693Hz。

针对发动机在最大扭矩点和额定功率点在声压级峰值处的频率段，计算相近频率处整机表面振动速度级，如图6所示。从图6中可以看出，频带范围内发动机进气、排气及油底壳前端面振动速度最大，因此通过对进排气及油底壳的优化可以有效降低在最大扭矩点和额定功率点的振动，减小发动机噪声。

4  结论

①本文利用有限元软件建立了某四缸发动三维模型，并实际通过模态试验验证了分析模型的合理性。同时以多体动力学仿真模型与有限元模型相结合，计算得到了发动机在最大扭矩点和额定功率点在声压级最大对应相近频率处的整机表面振动级。

②本文的分析方法，可以在发动机设计阶段就先期参与，为后期方案改进提供参考依据，从而加快开发速度，缩短设计周期，具有较强的工程应用价值。

参考文献：

[1]张武，陈剑，陈鸣.汽车动力总成悬置系统多工况运行模态试验研究[J].中国机械工程，2013，24（022）：3118-3123.

[2]张云侠.3100QB柴油机机体结构静力与模态CAE分析研究[M].昆明理工大学，2002.

[3]Olmez U，  Bayhan N， H Do■an， et al. Detection of Structural Vibration-Induced Noises with Modal Analysis in Diesel Generators.  2019.

[4]Van d V W C P，  Prbsting S，  Van Zuijlen A H， et al. Numerical and experimental investigation of a beveled trailing-edge flow field and noise emission[J]. Journal of Sound & Vibration， 2016： 113-129.

[5]陳培焕.SUV整车结构噪声特性分析与优化[D].华南理工大学，2016.

[6]裴志海，钱益明，周冲.基于TB的某SUV车内低频结构噪声优化[C]// 第十四届中国CAE工程分析技术年会.

[7]王立聪.基于约束阻尼结构的车身NVH性能分析与优化研究[D].燕山大学，2019.

[8]发动机耦合共振噪声研究[J].内燃机与配件，2020（21）：20-21.