发动机镁质油底壳开发振声特性研究及优化设计

论文摘要

在能源供应频频告急、石油价格节节攀升的今天,汽车作为能耗大户,其轻量化更加显得刻不容缓而又意义重大。世界汽车领域在利用各种高强度轻量化材料实现汽车轻量化方面已取得长足进展,但对替换材料后新产品的CAE（Computer-Aided Engineering——计算机辅助工程）分析和设计却相对滞后。本文以国家“十一五”科技支撑计划项目为依托,以CA20动力总成铸造铝合金油底壳为例,利用有限元/边界元法对结构替换材料前后的动态特性、表面振动和噪声辐射进行分析比较,揭示了镁合金结构的NVH（Noise,Vibration andHarshness——振动,噪声,驾驶平顺性）性能,并且对镁合金结构进行了低噪声优化设计。1)对原铝合金油底壳进行模态识别实验,完成铝合金油底壳在各挡加速工况下表面振动测试,结果表明各档全油门工况下油底壳结构辐射噪声产生的主要频段为500～3000 Hz,在1000～1700 Hz内特别突出。2)建立油底壳有限元模型,分别进行铝合金及镁合金结构模态分析,铝合金油底壳有限元分析值与实验吻合较好,镁合金结构固有频率比铝合金的稍低。3)对两种材料油底壳进行全负荷工况下2000Hz以内频率响应分析,以表面振动实验值为参照验证仿真结果,并结合机械振动学相关理论比较研究两种油底壳在相同激励下频率响应频谱特征和峰值差异的产生原因。镁合金结构尽管刚度较低,但由于阻尼比铝合金大得多,因此振动仍然比较小。4)建立油底壳边界元模型,以频响分析结果为边界条件,计算两种油底壳2000Hz以内的噪声总声功率级,声功率频谱等声学特性。5)针对数值模拟结果,选择合适的优化手段,确定结构优化的部位,对镁合金油底壳进行结构优化。对新方案的镁合金油底壳重新进行动态特性,频率响应及声学特性仿真,以期达到替换镁合金材料后既实现结构轻量化又使其NVH特性得到进一步优化的目标。优化后的镁合金结构比原铝合金油底壳总声功率级低了3dB,质量轻了22.1%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 汽车轻量化的重要意义
• 1.2 汽车轻量化的途径
• 1.3 国内外汽车轻量化的发展现状
• 1.3.1 汽车自重逐年下降
• 1.3.2 轻量化材料的研发、生产和应用水平
• 1.3.2.1 高强度钢和先进高强度钢
• 1.3.2.2 铝合金
• 1.3.2.3 镁合金
• 1.3.2.4 塑料及纤维复合材料
• 1.4 轻量化材料及汽车轻量化相关工艺研究现状
• 1.4.1 材料成形技术研究
• 1.4.2 连接工艺研究
• 1.4.2.1 激光拼焊板坯技术
• 1.4.2.2 自冲铆接
• 1.4.4.3 其他
• 1.5 汽车轻量化未来发展趋势
• 1.6 本文主要研究工作和内容安排
• 第二章 镁合金油底壳振声性能分析理论与技术基础
• 2.1 有限元方法
• 2.1.1 有限元方法的一般原理
• 2.1.2 有限元方法的实施步骤
• 2.1.2.1 结构离散化
• 2.1.2.2 选择位移模式
• 2.1.2.3 确定单元的力学特性
• 2.1.2.4 建立结构平衡方程
• 2.1.2.5 求解节点位移和单元应力
• 2.2 边界元方法
• 2.2.1 边界单元法一般原理
• 2.2.2 边界元法的基本类型
• 2.2.3 声辐射直接边界元分析理论基础
• 2.3 应用有限元/边界元进行噪声预测的关键技术
• 2.3.1 有限元模型
• 2.3.2 边界条件
• 2.3.3 振动响应分析及噪声预测
• 第三章 原铝合金油底壳表面振动识别
• 3.1 相关参数定义
• 3.2 由表面振动计算辐射噪声原理
• 3.3 辐射效率
• 3.4 表面振动测试实验方案
• 3.4.1 实验对象及实验条件
• 3.4.2 实验方案设计
• 3.5 实验结果与分析
• 3.5.1 表面辐射声功率级colormap图
• 3.5.2 表面辐射声功率级1/3倍频程谱阵图与曲线
• 3.5.3 表面总辐射声功率级随转速变换关系
• 3.6 表面振动测量并识别辐射噪声误差分析
• 3.6.1 测点布置
• 3.6.2 传感器使用
• 3.6.3 分析频段
• 3.6.4 辐射比与临界频率
• 3.6.5 测试工况条件
• 第四章 镁、铝合金油底壳动态特性对比研究
• 4.1 模态分析基本理论
• 4.2 铝合金油底壳模态有限元分析
• 4.2.1 油底壳有限元模型及材料属性
• 4.2.2 铝合金油底壳模态计算与结果分析
• 4.3 镁合金油底壳模态与铝合金油底壳的比较研究
• 4.3.1 两种材料油底壳固有频率的差异
• 4.3.2 两种材料油底壳模态振型的差异
• 第五章 镁、铝合金油底壳振动响应比较研究
• 5.1 振动响应分析理论基础
• 5.1.1 模态叠加法
• 5.1.2 直接积分法
• 5.2 镁合金和其他金属的阻尼性能比较
• 5.3 铝合金油底壳动态响应分析
• 5.3.1 频响计算有限元模型及边界条件
• 5.3.2 激励载荷的确定
• 5.3.3 动态响应计算结果及分析
• 5.3.3.1 6000r/min全负荷工况下油底壳表面振动响应
• 5.3.3.2 4500r/min全负荷工况下油底壳表面振动响应
• 5.3.3.3 1500r/min全负荷工况下油底壳表面振动响应
• 5.4 镁合金与铝合金油底壳振动响应对比研究
• 第六章 镁、铝合金油底壳声学特性比较研究
• 6.1 声学特性度量的基本指标
• 6.1.1 声压、声强和声功率
• 6.1.2 声压级、声强级、声功率级
• 6.2 油底壳声学边界元及场点模型
• 6.3 铝合金油底壳辐射噪声计算结果
• 6.3.1 6000r/min工况下油底壳辐射噪声
• 6.3.2 4500r/min工况下油底壳辐射噪声
• 6.3.3 1500r/min工况下油底壳辐射噪声
• 6.4 镁合金油底壳噪声预测及与铝合金油底壳的比较研究
• 第七章 低噪声镁合金油底壳优化设计
• 7.1 优化目标及优化方法的选择
• 7.2 优化方案确立
• 7.3 新方案分析验证
• 第八章 全文总结
• 8.1 研究成果与结论
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参加的主要科研项目
• 致谢