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基于Abaqus的气门室罩盖振动噪声特性分析

张志明,李欣,黄凤琴,李相旺,王江涛

东风汽车公司技术中心

摘要:发动机NVH性能越来越受到重视，气门室盖罩作为关键的发动机薄壁件，对发动机辐射噪声有着较大的影响，

本文基于Abaqus软件，描述了盖罩振动噪声特性分析的主要内容、评价指标等，提出改进方案，预测改进效果，

并通过试验验证，盖罩辐射声功率有明显改善效果。

关键词:Abaqus、气门室罩盖、振动噪声

1.简介

由于其自身辐射面积大、刚度相对较低，缸盖罩、链壳以及油底壳等薄壁件是发动机辐射噪声的主要来源。根

据相关经验，由发动机三大薄壁件引起的辐射噪声占发动机辐射噪声总量的40-60%。[1][2][3]因此，在设计过程中，

如何得到拥有良好NVH性能的薄壁件设计方案，是NVH设计必须考的事情。

针对薄壁件的辐射噪声问题，传统的手段是进行结构改进。结构优化一般是通过加筋、增加固定螺栓等方式，

减小薄壁件表面振动速度以降低辐射噪声水平。而结构优化会受到空间等因素的限制，往往不能达到很好的改善效

果。

通过减小激励输入来降低振动的方法，能够有效改善薄壁件引起的辐射噪声问题。例如在薄壁件与缸体相连的

螺栓之间采用隔振措施，可以在很大程度上减小振动激励的传递。

[4]

利用多体动力学与有限元计算结合的方法，对发动机本体振动进行了仿真分析，可以有效评估盖罩辐射噪声的

影响，但因为计算模型较大，周期较长，影响较大，有必要对在设计前期，即对盖罩等薄壁件单体进行振动噪声相

关分析及评价。本文以盖罩为例，进行了其振动噪声相关性能分析，并进行试验验证。

2.模型建立

2.1结构介绍

对缸盖进行几何清理后，建立缸盖有限元模型，采用成C3D10I二阶四面体单元。盖罩结构如图1所示。

图1缸盖罩结构图

2.2材料及属性

盖罩采用铝合金材料，螺栓连接采用couple-kin与beam梁单元连接。

表1材料属性表

零件材料弹性模量（GPa）泊松比密度（kg/m-3）

盖罩铝合金720.332700

螺栓钢2100.37850

2.3边界条件说明

主要分析内容包括模态分析、盖罩振动响应分析、盖罩辐射噪声分析。

振动响应分析中，选取各螺栓处施加振动激励，本分析中以振动加速度为计算激励。

3.模态、面刚度分析及改进

模态分析是盖罩振动噪声特性分析的前提，通常在模态达标后，进行振动、辐射噪声特性分析。

原方案模态结果如图2所示，有模态为1380Hz，且为呼吸状，不满足要求，故需要进行设计改进。

图2盖罩模态结果云图

改进主要为圆角过渡设计，避免大面呼吸装模态振型，同时在局部加筋，提高刚度。结构如下所示。

图3盖罩结构改进后示意图

改进后，模态提高，且避免了大面积的呼吸状模态，后续可通过盖罩辐射噪声等分析进一步确认改善效果。

根据模态结果，选择振动较大等位置，进行结构的面刚度分析，取点如图4所示。分析频率取500~3000Hz，刚

度取对数处理，取点及刚度结果如图5所示。

图4刚度分析选点示意图

图5面刚度结果

4.振动响应分析

通常在螺栓处施加振动激励，进行盖罩的振动响应分析，分析盖罩振动速度等，判断盖罩噪声风险。

本文的螺栓处振动加速度来自于动力学分析，基于Abaqus进行振动分析，某频率下盖罩的振动速度结果云图，

分布如图6所示。通常在振动速度即进行评价，针对薄弱处采用提高刚度、隔吸音等措施进行改善。

图6某频率下振动速度云图

基于振动的计算结果，利用边界元方法，进行辐射噪声预测，对比改进前后的的辐射声功率差别，1000Hz辐射

噪声有明显改善，如图7所示。CAE分析顶端噪声改善约0.6dB（A），台架NVH试验表明结果相当，CAE预测精度

满足开发需求。

图7辐射声功率改善对比

5.结论

（1）基于Abaqus软件，结合振动输入，建立了盖罩等薄壁件模态、面刚度、振动速度、辐射噪声的CAE模

型机分析方法。

（2）对缸盖罩结构刚度提供改进建议，并预测改进的效果。

（3）通过仿真、试验对比，表明该方法能较为准确，快速的对薄壁件单体进行振动噪声特性的分析及改善，

相对于整机模型建模，能大大缩短时间，且在完成整机振动分析前，可以利用标准激励，快速评估盖罩振动噪

声特性，并提供改进建议。

参考文献

1.庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动-理论与应用[M].北京理工大学出版社.2008.

2.张磊.发动机薄壁件结构振动优化[J].振动工程学报,2010

3.AbdelkrimZ,MichaelM.