基于FEM/BEM的变速器箱体辐射噪声研究

1 前言

结构的声辐射问题的分析方法主要有解析法和数值法两大类。解析法适用于结构及边界条件较为规则的简单的问题，对于复杂结构的声辐射问题，采用解析法求解是非常困难的，而采用数值法则比较容易解决复杂结构和复杂边界条件的声学计算问题。常见的数值方法有迁移矩阵法、有限元法、边界元法、无限元法、统计能量法等，其中有限元法和边界元法已成为研究三维任意复杂结构稳态声辐射特性和声振耦合机理的有效工具。本文将采用有限元法和边界元法对复杂箱体的噪声辐射进行研究。

2 箱体有限元和边界元模型的建立

建立准确可靠的计算模型，是应用有限元进行结构动力学仿真的前提。根据圣维南原理，对模型的局部进行细小的在改动并不特别影响模型总的分析结果;同时根据研究的需要，对箱体的有限元模型主要作了如下合理简化和假设：

(1)将放油螺栓、倒角和箱体的控制油通道等省略，其主要是考虑到下一步建立声学模型的复杂性;

(2)将箱体视为一个整体(忽略箱体上的所有螺栓);

由于该箱体为一不规则薄壁件，结构比较复杂，各面的箱壁的厚度并不完全一致，有些地方还有加强筋，而且在轴承座的地方还有局部加厚，箱体内还有一定液面高度的润滑油，因此采用实体单元建模。利用三维建模软件Pro/E，建立三维模型，然后导入到Patran中建立流固耦合的有限元模型。单元类型为四面体十节点二次元，箱体结构由64348个实体单元构成，箱体内部的油液由4594个流体单元构成，在流体和结构的接触面定义其耦合关系。同时，选取箱体的外表面进行平面网格划分，建立边界元模型，其共有6521个面单元组成。

3 箱体激励载荷的确定

变速箱箱体的振动激励成分非常复杂，按照激励的来源主要包括两部分：

(1)外部激励：主要有发动机扭振激励通过轴系传递到变速箱箱体，车体振动(来自发动机振动、路面激励等)通过变速箱的固定支撑点传递到箱体;

(2)内部激励：主要有齿轮的时变刚度特性、转轴的动不平衡、内部油液的搅动等引起的振动激励这些振动激励力经轴承座或者支撑点传递到箱体，激起变速箱箱体表面的振动，从而辐射出机械噪声。其中，在正常工况下箱体的内部激励较外部激励小。箱体受到主要激励来源于外部激励。而外部激励中的路面激励的表现形式较为复杂，为了简化计算，探讨变速箱箱体噪声辐射的数值计算方法，本文取发动机扭振激励作为箱体激励源。如图3所示为发动机转速为1200r/min时，变速箱四档时，箱体前端面输入端轴承座所受的激励力谱。由图3可以看出，激励力的能量主要集中在低频段，频域内峰值分布在发动机转速各个谐次上。在箱体有限元模型的各个轴承座处加入各自所受的激励力谱。同时根据箱体的实际安装情况，在箱体有限元模型的左右输出端支座和前端面上的支撑点，进行六自由度固定约束。箱体阻尼比根据经验取0.06。

图3 前端面输入端轴承座处所受载荷的激励力谱

4 有限元振动仿真计算与分析

在有限元求解时，选用完整法(Full)进行求解。完整法是谐响应分析最常用、适用面最广的一种分析方法。该法虽然求解慢，但是其使用完整的结构矩阵，且允许非对称矩阵，可以在实体模型上加载，特别适合求解结构较复杂的有限元模型。其他两种方法：缩减法和模态叠加法，虽然都比完全法求解快，但是缩减法不能施加单元载荷，而且所有载荷必须施加到主自由度上;模态叠加法不能施加非零位移，而且初始条件不能有预加载荷。

取箱体表面位移和表面加速度作为箱体振动的评价指标。并取箱体振幅较大的频率220Hz频率接近箱体的一阶频率(216.15Hz)。由图4可以看出箱体前端面的振动最为明显。

图4 箱体220Hz强迫振动位移云图

5 试验验证

为检验有限元模型的合理性和强迫振动计算结果的精度，以该型号的动力传动系统进行台架试验。此时变速箱受到的外部激励主要为发动机的扭转激励。试验台架布置如图5所示，台架试验现场如图6所示。在变速箱箱体上共安装了5个加速度传感器，测量变速器箱体表面的加速度。传感器型号为B&K4371V，其响应频率范围为0.1～12.6KHz。数据采集系统为LMS Test.Lab信号采集、分析系统。

图5 台架试验布置图

图6 台架试验现场图

通过测量箱体表面的加速度时域信号，然后经过一系列滤波、放大和傅立叶变化等信号处理，可以分析出箱体在不同工况下的加速度值和加速度频谱值。

取发动机转速为1200rpm，变速箱为机械四档的工况下，各个测点的最大加速度如图7所示，以及测点5处仿真计算结果和试验结果进行对比，如图8所示。由图8可得出箱体的前端面的振动响应较大，这与仿真结果相符;从图8可以看出测点5位置处，仿真结果与试验结果的变化趋势也基本一致，说明本文所建立的流固耦合有限元模型是正确的，对模型进行的假设和简化是合理的。

图7 各测点处最大加速度仿真数据和试验数据

图8 测点5试验数据与仿真数据的比较

6 边界元声辐射仿真计算与分析

最后提取箱体有限元计算结果中，箱体所有外表面节点的位移，导入到专业声学分析软件Sysnoise中，作为箱体边界元模型的载荷边界条件，加到模型上，进行辐射噪声计算。并取箱体辐射声压作为箱体声辐射的评价指标，同样，取接近箱体的一阶频率的220Hz频率进行观察，所得结果如图9所示。

图9 箱体声辐射计算结果

由图9可见，位于箱体前端面场点的声压值最大，因此可以判断箱体前端面的声辐射最为严重。通过对箱体结构进行分析可得，箱体前端面和前支撑的刚度相对较弱。因此，对其进行加筋强化，在箱体的前端输入处额外增加七个筋板，并且将原前端面内部的8个筋板，由8毫米厚变为12毫米厚。同时，对于前支撑点也进行加筋强化，如图10所示。

图10 箱体结构加筋强化示意图

取箱体前端面中心3米远的场点，观察箱体加筋前后的声压谱。如图11所示。图中的两条曲线分别代表箱体加筋前后的噪声辐射声压谱，正方形是箱体加筋前的声压谱、三角形是箱体加筋后的声压谱。

图11 箱体加筋强化前后相同场点的声压谱

由图11看出对箱体前端进行加筋强化处理后，基本上能有效的抑制箱体的噪声辐射。其中在400Hz处辐射声压能够降低15dB左右。而且箱体在加筋处理前，其一阶固有频率和四阶固有频率处的声辐射非常严重，由此可以判断一阶模态和四阶模态是该箱体的声辐射优势模态。从降噪的角度，对该两个模态给予更多的注意力，比如应尽可能地减小能激起此模态的激励等。加筋后箱体在280～320频段内的噪声辐射反而比加筋前强，这是由于箱体加筋处理后，箱体的第四阶声辐射优势模态的频率降为310Hz。

表1列出了箱体加筋前后，箱体重量和辐射中声压的变化情况。由此可见，采用此种有针对性加筋强化方式，在箱体重量增加并不大的情况下，能有效的抑制箱体的噪声辐射。

表1 箱体加筋前后重量和总声压的对比

注：辐射总声压是指箱体前端面中心3米远的场点的总声压值

7 结论

(1)采用流固耦合的有限元理论和声学边界元理论，建立了具有复杂结构的箱体噪声数值仿真计算的流固耦合有限元模型和边界元模型;

(2)进行了流固耦合箱体有限元的强迫振动计算，并通过台架试验进行验证，试验数据和仿真计算数据基本吻合。说明采用的方法和建立的模型是准确、合理的;

(3)进行了复杂箱体稳态噪声辐射计算，结算结果表明，在箱体刚度较弱的表面处，其辐射声压较大;而且箱体模态分析得出的一阶模态和四阶模态属于声辐射优势模态，声辐射计算结果也表明该两模态下噪声辐射确实更严重。数值计算结果与声振理论基本吻合;

(4)加筋计算结果表明，经过此种加筋处理后，在箱体的重量增加不大的情况下，其噪声辐射能得到有效的抑制。(end)