第5期（总第238期） 2018年10月
车用发动机 VEHICLE ENGINE
No 5 (Serial No 238)
Oct2018
柴油机油底壳振动与噪声辐射仿真分析与优化
张凯成，李舜酪，孙明杰，姚通
（南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016）
摘要：对4缸柴油机油底壳的振动与噪声进行预测，并给出了多种结构优化方案进行降噪研究。在三维设计软件Creo中简化油底壳模型，导入有限元软件HyperMesh和AnsysWorkbench建立有限元模型，分析了油底壳在正常工作情况下的模态特性和瞬态响应特性。利用瞬态响应结果计算得到了油底壳声功率值。根据计算结果给出了3种不同的降噪方案，仿真结果表明3种优化方案均满足降噪的要求。
关键词：柴油机；油底壳；模态分析；瞬态响应；辐射噪声；间接边界元法 DOI: 10 3969 /j issn 1001-2222 2018 05 010
中图分类号：TK4216文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2018)05-0054-07
发动机正常工作时产生的燃烧激振不平衡惯性
力通过活塞、曲轴、机体等传到机体与油底壳相连的螺栓，最后传递至位于发动机最下部的油底壳1。而油底壳属于薄壁类零件，其底板的面积大且刚度低，在激微振力的作用下会产生较大的振动，进而号发的表面辐射噪声占发动机总噪声的20%左右"
为分析和预测油底壳的振动和噪声，目前常采用有限元软件HyperMesh和Ansys建立有限元模型进行模态分析和动力学特性分析3等，采用声学软件如LMSVirtual.Lab4}计算声压和声功率等。而在优化方面，较多学者[5-7采用反复验证对比结果的方法进行优化，为保证优化方案准确可行，需掌握大量的经验，通过主观判断对零件进行尝试性地加厚或者布置加强筋，缺点是效率低，需多次尝试才能达到预期效果。Optistruct是以有限元法为基础的结构优化设计工具，在航空、航天、汽车、机械等领域应用广泛可。运用Optistruct进行形貌优化，可以将起筋参数作为设计变量，对频率等多目标进行优化能较为准确地达到预期目标。此法节省了传统通过反复验证来进行优化的时间，优化结果能为后续设计提供一定的参考。
结构振动噪声和Optistruct形貌优化理论 1.1结构振动噪声理论
柴油机表面辐射噪声的主要来源之一是柴油机收稿日期：2018-03-22；修回日期：2018-05-27
在复杂的燃烧过程和往复机械运动作用下产生的表面振动。根据声学理论推导后可知，当柴油机处于稳定的工作状态时，其辐射的声功率和表面振动之间存在如下关系：
P
辐射的声功率级为[10]
Lw=10lg(Wrad/W。)=10lg(cc)+
101g+10lg+120—△。
(1)(2)
式中：Lw为声功率级；W。为基准声功率：o为空气密度；c为声音在空气中传播的速度；A为噪声辐射表面积；为振动速度的均方值；为辐射比；△为 A计权网络的衰减量。
12Optistruct形貌优化理论
不同于拓扑优化采用删除材料的方法，形貌优化在可设计区域中根据节点的扰动设定加强筋参数（如筋宽、筋高等），软件自动生成形状变量，形状变量是多个直径为最小筋宽的圆形区域“。形貌优化的响应包括质量、重心、惯性矩、频率、力、应变等。 Optistruct在进行形貌优化的过程中，首先定义响应再将响应定义为优化目标，可以通过不同的目标函数将多种响应定义为优化目标。
2基于HyperMesh的油底壳模态分析 2.1有限元模型的建立
研究对象是4缸柴油机的油底壳，主要考虑此
基金项目：国家重点研究和发展项目“新节能环保农用发动机开发”(2016YDF0700800）
作者简介：张凯成（1994—），男，硕士，主要研究方向为振动与噪声控制；15895879613@163eom。
通讯作者：李舜（1962一），男，教授，博士生导师，主要研究方向为信号处理与分析；15895879612@163com。