汽车发动机气门室罩盖声辐射分析

概要

本文介绍了一种研究发动机气门室罩盖声场辐射的方法。该分析流程首先使用非线性静态仿真，随后使用稳态动力学仿真确定发动机气门室罩盖振动的声压场。装配体负荷产生的影响也包含在内。采用声有限元和/或无限元方法，用两种代表性的发动机气门室罩盖验证了这种方法。分析结果和可用的试验数据之间相吻合。

介绍

在典型的汽车发动机中，相当高比例的辐射声能来自附着在发动机缸体上的各种盖的振动。其中由于表面积大、厚度相对较小，气门室罩盖一直被视为噪声的主要来源。因此气门室罩盖声场分析，联合结构分析，已成为设计流程中的关键环节。

气门室罩盖的噪声辐射分析包括对无限延伸的相邻空气场进行建模。使用声学有限元直接为无限空气域建模是不切实际的。但是这种无限延伸的影响可以用两种方式进行仿真：通过使用声学无限元，或是对声学有限元截断网格的边界进行阻抗处理。

无限元方法在仿真外部噪声辐射问题中越来越普及（参考资料2-4）。无限元拥有表面拓扑，即在三维中为“类壳单元”，在二维中为“类梁单元”。这些单元能直接应用到结构上或是直接应用到声有限元区域的终止表面上。通过最大限度地避免或完全避免对周围空气的有限元离散化的需要，无限元可以降低建模费用。

边界阻抗方法本质是一种非反射边界条件（NRBC），用于防止声能反射回域内。这种基于阻抗的辐射边界条件虽然是近似性的，但是在实践中确实能给出可接受的结果；然而，结构和辐射表面之间的距离必须足够大(一般为声波长的三分之一到一个波长)。

本技术展示了使用声场无限元方法对汽车气门室罩盖的噪声辐射进行建模的部分实际操作。该方法采用两种在几何复杂性上存在差别的模型予以呈现。

ABAQUS中的声学无限元

声无限元公式在多个关键方面与辐射边界条件公式不同。无限元使用高阶插值函数，因此这种方法的单元成本高于简单的一阶辐射边界条件。但是由于

Abaqus的主要特性与优势

·能够使用一个模型按照顺序进行结构仿真和声场仿真；能在声辐射预测中引入非线性效应以及与频率相关的粘性阻尼所在的弹性体组件；
能使用结构的几何形状在Abaqus/CAE中建立周边空气场；
·能够使用声有限元方法建立近场声学模型；
能够通过声无限元或阻抗边界条件为无限域进行建模·能够可视化远场声压。

无限元的准确性一般远远高于阻抗条件，所需的声场有限元区域的大小可以显著降低，从而在许多应用中降低了总体成本。

此外，Abaqus中的无限元保留了局域性的特点，这样每个单元只与其最临近的相邻单元耦合（类似于常规的有限元）。这与每个单元都彼此耦合的边界单元法（BEM）相比，能提供明显的性能提升。随着无限元数量的增多，这个优势越来越重要。此外，与BEM不同，无限元矩阵无需在每个关注的频率上重新计算。在需要高密度频率扫描时，这个优势就很明显。

在使用无限元时，节点的法向量必须指向无限域。几何结构复杂的表面可能难以满足这一要求。因此可能需要有限元与无限元相结合的方法。在这种方法中，有限元用作凹陷处的“填充物”，这样当无限元覆盖在有限元上时，它们就肯定会指向无限方向，任意两个无限元法向量间不存在重叠。

分析方法

第一个模型中分析的是拥有简单几何结构形状的气门室罩盖（下称“原型”气门室罩盖）。周边的空气使用无限元和有限元两种方法进行建模。因为形状简单，声无限元可以直接与气门室罩盖结构有限元模型进行耦合，无需中间的声有限元域。模型得到的结果与使用声有限元和阻抗条件得到的结果相一致。但是无论是在网格划分效率上，还是在计算成本上，都证明使用声无限元效率明显更高。

在第二个模型中，使用声有限元和无限元相结合的方式仿真更复杂的气门室罩盖装配体（下称“生产型”气门室罩盖）。鉴于气门室罩盖复杂的特性，先构建少量声有限元包覆气门室罩盖，然后在有限元区域的终止界面上构建无限元网格。从这一模型取得的结果被用于在各种发动机工作条件下实验测量的值相比较，并已得到令人满意的一致性。

原型气门室罩盖

结构模型

考虑的第一个发动机气门室罩盖见图1a和1b。

图1a：原型发动机气门室罩盖模型一顶视图

图1b：原型发动机气门室罩盖模型一底视图

图2：用于简单几何结构发动机气门室罩盖的声无限元模型

声场模型与结构模型耦合

与气门室罩盖相邻的外部空气首先使用声无限元进行建模。无限元网格以"皮肤”的形式施加在结构网格的表面（图2）。因此壳体上的表面节点也与声无限元是共享节点的。这种节点进行共享纯粹是为了便捷；不必让结构网格与声网格在它们的界面上节点一致；可以创建一个单独的无限元部分，并使用基于表面的“绑定”（tie）约束将其与结构进行耦合。在这种情况下，结构与声无限元网格可以是任意的、非一致节点的。

此外，在一个模型中气门室罩盖结构也直接与周边空气的声有限元网格进行耦合。外部和内部空气域在Abaqus/CAE中使用“合并（Merge)/剪切(Cut)”或"布尔(Boolean)”功能进行创建，同时使用一阶四面体单元进行网格划分。在空气网格的外表面施加一个基于阻抗的终止边界条件，用于防止声能反射回域内（也称为非反射、吸收或消声）。结构与空气的耦合无需在公共边界上兼容网格，使用基于表面的“绑定”（tie）约束来强制耦合。

完全耦合的结构一声学功能能取得尽可能大的准确性。此外，分析也可以以顺序的方式开展一首先开展结构位移分析，其结果用于之后的空气声场分析。

分析

仿真由两个分析步组成：用于仿真螺栓紧固的静态气门室罩盖装配体分析步，之后使用谐波振动动力学分析步。

在动力学分析步中使用稳态动力学在频域中完成完全耦合的结构-声场分析。在这个流程中同时求解结构位移和声压。

为了对发动机振动进行仿真，在怠速条件下在靠近每个紧固螺栓的发动机缸盖处测量加速度。该数据记录是以频率（Hz)的函数表达的加速度（g），然后用于驱动有限元模型，模拟发动机激励。

生产型气门室罩盖

结构模型

完整的气门室罩盖装配体（气门室罩盖、橡胶垫圈、橡胶隔振器和必要的接合组件）见图3a。气门室罩盖使用10节点四面体单元进行建模，同时垫圈/垫环使用与频率相关的粘弹性属性的专用垫圈单元进行建模。

声学模型与结构耦合

对声场，在临近气门室罩盖的地方创建内部空气网格和小型半球形外部空气网格（ \scriptstyle\Gamma=300{\mathsf{mm}} ），并使用四面体声学有限单元（图3b）。然后在有限元网格的终止界面上施加一层声无限元网格。

分析

与原型气门室罩盖案例类似，仿真由两大分析步组成：气门室罩盖装配和谐波振动。装配完成后，气门室罩盖模型通过底部法兰盘周围的螺栓进行激励。通过测量在各种运行条件下（怠速、低转速、2400RPM和3600RPM）的发动机振动，生成激励。该数据在有限元模型中用作加速幅值。此外，在气门室罩盖顶部表面上方20cm的平面上用传声器测量声压。详细的实验流程见参考资料（5）。

结果与结论

无限元法与阻抗法对比，原型气门室罩盖

由于声学有限元和声学无限元使用相同的公式，预计得到的结果相似。从这两种方法获得的气门室罩盖表面位移的对比见图4。

图3a：生产型发动机气门室罩盖模型

图3b：用于生产型发动机气门室罩盖的声无限元/有限元结合模型

图4：比较从声无限元模型（上图）和阻抗模型（下 图）得到的原型气门室罩盖表面位移

与纯有限元方法相比，无限元方法显著地降低了建模和计算成本。单元的数量从391，644降低到18，474，所需的存储器下降到原来的1/7，无限元模型的总计算时间小于阻抗模型的十分之一。

在无限元方法中提取远场声压

图5所示的是原型气门室罩盖结构表面的声压。实际上，更关心远场的声音。对汽车发动机组件这样的大型结构而言，这意味着需要相当大的声场进行建模。由于计算上的限制，常规的有限元法在为这样大的场建模时面临着严重的问题。相反，无限元法能让分析人员同时获取近场和远场的声量。图6所示的是距离气门室罩盖 250\mathsf{mm} 500{mm} 和1000\mathsf{mm} 的球状表面上的声压。

实现的方法是使用Python脚本（包含在Abaqus脚本化用户手册中），利用分析完成后从无限元得到的多项式系数，与远场的压力进行插值。从而能够在空间中任何点获取声压。这样就不必为了在需要的位置获取结果而专门创建大型网格；可以简单地使用一个网格只要区域足够大就能提供准确的结果，然后使用该脚本将结果投影到所需的位置。

无限元法与实验测量对比

对生产型气门室罩盖模型，先计算气门室罩盖表面振动和辐射声，然后与运行车辆上气门室罩盖的实验测量做比较。

图7：比较低转速下生产型气门室罩盖表面振动的测试结果和分析结果。振动是在气门室罩盖表面四个位置测量到的加速度的平均值。据观察，在设定频率范围内分析结果与实验测量结果存在良好的吻合。

图5：原型气门室罩盖从声无限元模型（上图）取得的 声压和阻抗模型（下图）取得的声压的对比。

在气门室罩盖顶部表面上方20cm的平面上的平均声压见图8。在所有条件下，预测与实验中的传声器测量取得的趋势相吻合。分析性测试是在特定频率上进行的，相邻频率间的间距比实验性测试使用的间距大得多。这样可以解释为什么所有实验中观测到的峰值在分析研究中没有体现。此外，实验数据是没有进行过滤的，因此这些数据的信噪比也可能影响实验测试的准确性。

根据观察，结果完全相同。从两种方法得到的气门室罩盖表面上的声压见图5：基本观察不到任何区别。

图6：从无限元获得的远场声压：距离原型气门室罩盖表面(a) 250\mathsf{mm} 、b)500mm和(c)1000mm的声场。

图7：计算得到的和测量得到的低转速下生产型气门室罩盖表面振动的比较

图8：下列条件下生产型气门室罩盖计算得到的和测量到的辐射声量比较:(a)怠速(b)2400 RPM和(c)3600RPM

结论

声学无限元法已被用于预测汽车发动机气门室罩盖的外部声场辐射。无限元法提供的解经过观察，与阻抗法和实际实验测量得到的结果相吻合。

无限元法能够直接根据分析结果预测近场中的声

量，使用后处理脚本预测远场中的声量。总而言之，无限元法经证明是实际结构的声辐射建模中准确高效的方法。

鸣谢

达索系统SIMULIA公司在此感谢DANA公司提供本文中探讨的资料。

参考资料

作者：Lu，4.C.和D'Souza，K.，《发动机气门室罩盖声学分析》，SAE论文，编号2003-01-1674，2003年。

作者:Astley、R.J.、Macaulay、G.J.和Coyette、J.P.，《用于声辐射和散射的映射波包络元》，JSV170(1)，1994年，97-118页。

作者：Cipolla，J.L.，《拥有更理想稳健性的声学无限元》，2002年国际噪声与振动工程大会（ISMA）会议纪要，比利时鲁汶，2002年9月，16-18页。

作者:Lu、4.C.、 \mathsf{D}^{\prime} Souza、K.、和chin、C.，《采

用声学无限元法获得的发动机气门室罩盖声辐射》，SAE论文，编号2005-01-2449，2005年。

作者:Lu、4.C.、Periyathamby、H.、Krishna、M.M.R.和Nash、D.，《塑料汽缸盖的空间传递性》，SAE论文，编号2005-01-1515，2005年。

关于本简要介绍中提及的Abaqus功能的详细说明，请参阅下列Abaqus6.13版参考文档：

分析用户指南

·“静态应力分析”，6.2.2章·“直接稳态动力学分析”，6.3.4章·“声、振动和声-结构耦合分析”，6.10.1章·“子模型建模：概览”，10.2.1章

示例问题指南

"声学和振动分析”，9.1章

脚本化用户指南

“使用无限元进行计算和查看声远场分析结果”，9.10.11章

我们的3DEXPERIENCE平台能为各品牌应用注入强大动力，服务于12个行业，并提供丰富多样的行业解决方案体验。

作为一家为全球客户提供3DEXPERIENCE解决方案的领导者，达索系统为企业和客户提供虚拟空间以模拟可持续创新。其全球领先的解决方案改变了产品在设计、生产和技术支持上的方式。达索系统的协作解决方案更是推动了社会创新，扩大了通过虚拟世界来改善真实世界的可能性。达索系统为140多个国家超过19万个不同行业、不同规模的客户带来价值。如欲了解更多信息，敬请访问：www.3ds.com