發動機是影響汽車NVH性能的最主要的因素，在發動機的設計階段就深入進行振動噪聲性能的預測與優化，已經成為發動機開發的基本流程，是發動機自主研發過程中的重要工作。

國內外對發動機結構噪聲的預測做了大量研究，中低頻結構噪聲預測方法已趨成熟。結構振動響應與輻射噪聲之間的關系非常復雜，目前根據強迫振動響應計算輻射噪聲的計算方法主要有平板理想化法、有限元法和邊界元法等。噪聲預測技術的發展使得發動機在設計階段進行噪聲評價成為可能。

本文探討了適于進行動力總成振動及結構噪聲預測的方法；建立了動力總成各主要部件的有限元模型，通過AVL EXCITE軟件進行了動力學分析，并計算發動機的振動響應。進行NVH的性能提升的最重要的就是首先要找到主要振動及噪聲源，并開展有針對性的工作。為了更明確發動機的主要聲源，采用自編軟件，根據表面振動速度結果進行了主要表面的輻射聲功率排序，最后進行結構噪聲預測。

發動機結構振動預測

進行發動機結構振動及噪聲預測，涉及到大量的研究工作，主要工作包括各部件有限元建模、子結構模態提取，EXCITE模型搭建，主要激勵計算，動力學分析，振動響應計算，表面輻射聲源排序，聲邊界元建模和空間聲場預測等工作。

1. 動力總成有限元模型

動力總成有限元模型包括缸體、框架、缸蓋、油底殼、缸套、進氣歧管、排氣歧管、氣門室罩蓋、4個懸置支架、變速器殼體、變速器傳動軸及齒輪等。由于研究的動力總成的4個懸置支架中有3個是安裝在變速器上，所以加入變速器殼體的有限元模型，這樣可以更準確地模擬動力總成的振動情況，特別是怠速工況下的振動。圖1所示為動力總成的有限元網格。同樣需建立曲軸組件的有限元網格，曲軸組件包括曲軸、飛輪、扭轉減振器、皮帶輪和正時齒輪等部件。

圖1 動力總成的有限元網格

2. 發動機動力學模型

發動機動力學計算模型包括了有限元模型及連接參數。參數包括連桿質量、剛度，活塞質量，軸承剛度，發動機懸置軟墊剛度以及軸瓦剛度及阻尼等。

3. 發動機激勵

發動機工作時，其激勵比較復雜。主要考慮了氣體爆發壓力、活塞連桿組件的慣性加速度、活塞側向拍擊力、凸輪軸軸承座作用力、氣門彈簧力和氣門落座力等激勵。這些載荷采用相應軟件計算得到。某轉速下的氣體爆發壓力曲線見圖2。

圖2 發動機爆發壓力

圖3和圖4分別為第一缸的作用在活塞頂部的爆發壓力載荷、進氣凸輪軸對軸承座的作用力的載荷－曲軸轉角歷程。

圖3 作用在活塞頂部的爆發壓力載荷

圖4 進氣凸輪軸對軸承座的作用力

在不同的轉速工況下，各種載荷的時間歷程都是不同的，需要在軟件中輸入不同工況下的載荷曲線。

4. 發動機結構響應計算

模型搭建完成后，計算主要工況下動力總成的振動。在EXCITE中進行動力學計算后，進入NASTRAN中進行數據恢復，得到各結構的振動響應。

模型搭建完成后，計算主要轉速工況下動力總成的振動加速度，主要計算工況包括1000r/min、最大扭矩轉速和額定轉速等。在EXCITE中進行動力學計算后，結果導入有限元軟件中進行數據恢復，得到各結構的振動響應。圖5所示為發動機在6 500r/min時的表面振動速度。

圖5 轉數為6 500r/min時表面振動速度（400Hz）

聲源排序及結構噪聲預測

1. 聲學邊界元模型建立

在Virtual Lab的網格粗化模塊中，先導入結構有限元網格，然后通過提取3D網格的面單元、補面和封包等操作，生成聲學邊界元網格，邊界元模型的網格尺寸根據計算最高頻率為2 000Hz來設置。

2. 速度邊界條件映射

建立了邊界元網格后，需要在Virtual Lab/Acoustic中將結構表面振動速度映射到邊界單元節點上。圖6所示為轉數在1000r/min時邊界單元節點的振動速度（25Hz）。從圖中可清楚地看出，低頻段主要為整機的運動。

圖6 轉數為1 000r/min時表面振動速度（25Hz）

3. 聲源排序

從以上圖形只能得到直觀的速度分布圖形，并不能從數量上反映各部件主要輻射表面的貢獻量。為了明確主要的結構噪聲源的輻射表面，進行輻射聲功率的排序是非常必要的。作者編寫了振動輻射聲功率的計算程序，可方便地進行輻射功率排序。圖7為某工況的振動輻射能量排序。

圖7 某工況的振動輻射能量排序

從分析結果來看，最主要的輻射能量來自于發動機缸蓋以上的部分。除右側外，其他的部位輻射能量都比較大，這與該發動機的進氣歧管的布置有關。而油底殼部分，由于該發動機油底殼的剛度比較好，所以不是主要的輻射源。

4. 噪聲預測

在將結構表面振動速度映射到邊界單元節點上后，計算了發動機在一定頻率范圍內的結構輻射噪聲。圖8所示為500Hz的輻射噪聲情況。場點取離發動機表面1m處的六面體。通過輻射噪聲場的分析，可以明確該工況下主要結構輻射噪聲頻率及輻射表面，為結構優化指明了方向。

圖8 500Hz的輻射噪聲

結語

發動機結構振動與噪聲預測是一項降低發動機噪聲極其經濟有效的技術。實施噪聲最優化問題的關鍵在于三個方面，一是噪聲預測的準確性；二是預測噪聲計算的速度；三是要得到主要的振動噪聲源。采用AVL/EXCITE等軟件，可以非常方便地進行發動機噪聲預測，從而為產品的NVH性能的提升提供了有力的工具。

在對發動機各轉速下的振動噪聲預測的基礎上，通過與試驗數據的對照分析，可進一步提高預測模型的精度。在此基礎上進行噪聲最優化設計可望開發出NVH性能優異的發動機。

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