0 引言
汽车轻量化设计可提高动力性、降低油耗、减少污染，是节能减排的重要措施之一。薄壁件(如正时罩盖、油底壳、气门室罩盖等)是发动机表面振动辐射的主要噪声源，其中油底壳是薄壁件的典型代表，其辐射噪声约占整机噪声的四分之一。近年来各研究部门在对发动机薄壁件通过改进结构降低辐射噪声方面做了很多工作，比如北方发动机研究所的胡定云等对油底壳进行模态计算，从薄壁件固有频率入手通过加筋的方式优化其结构刚度，长安汽车张磊等根据对发动机薄壁件测试结果，通过弱点分析对油底壳进行局部和加强筋优化，中北大学张光炯等在油底壳结构确定的情况下对油底壳拓扑优化，根据优化结果的密度阀值大小而增减油底壳的壁厚尺寸。
本文依据整机振动仿真模型获取油底壳连接螺栓传递的激励，对油底壳进行基于NVH计算激励的结构优化分析，通过拓扑优化和形貌优化得到油底壳的材料布局及结构形状，最终达到减重和降噪的目的，为发动机薄壁件的设计提供了有效的指导方法。油底壳的优化流程如图1所示。
图1 油底壳优化流程
1 频响分析
研究表明，结构表面辐射噪声的声功率与表面振动功率如关系公式(2)，而表面振动功率与介质阻抗特性、振动表面积、振动速度有关。介质阻抗取决于介质密度和传播速度，振动表面积受发动机布置影响，对于确定的发动机一般可认为前两项是常值，因此薄壁件设计可通过限制振动速度来控制结构表面辐射噪声。用振动速度的均方根表示表面辐射噪声，有振动功率公式：
频响分析是计算结构在稳态振动激励下的响应。在频响分析中，激励载荷在频域中显式定义，对应于每一个加载频率的外载都是已知的，外载可以是力或者强迫运动，频响分析得出的结果通常是节点位移、速度、加速度。使用模态叠加法进行频响分析，一般多自由度系统动力学问题的基本方程为：
其中：[M]—系统质量矩阵，[C]一系统阻尼矩阵，[K]—系统刚度矩阵，{F(t)}—激励力，{x}—系统位移向量。给定某一状态下的激励力，求解动力学方程即可得出相应的加速度、速度、位移响应，经过傅里叶变换可得到频域上的动力学响应。
发动机激励载荷通过薄壁件的安装螺栓传递，载荷提取一般有两种途径:一是通过NVH测试获得实测激励，二是通过整机NVHCAE计算获得仿真激励。本次分析采用第二种方法，在全速全负荷工况下，对关注的频率范围内进行分析。参考NVH测试传感器的布置位置取做频响分析的振动响应点，通过分析得到响应点的振动速度曲线。图2为油底壳原始设计方案的各侧响应点振动速度曲线。
图2 油底壳原始方案的各侧响应点振动速度曲线
2 薄壁件优化
2.1 拓扑优化
拓扑优化是在给定的设计空间内寻求最佳材料分布，其设计变量是模型区域内单元的相对密度，优化结果的材料分布根据密度阀值确定，密度大于指定阀值会显示有材料，小于阀值则无材料。根据发动机布置要求，油底壳内腔需要避让机油泵、吸油器、机油隔板的安装空间。油底壳的密封法兰及螺栓安装位置均在设计前已确定，因此避让内腔零件安装后的剩余空间作为设计域，密封法兰和螺栓孔作为非设计域，油底壳设计空间如图3所示。
图3 油底壳设计空间
结合设计空间模型，油底壳拓扑优化采用数学表达如下：
其中：
x一设计变量，Mass(x)—优化后重量，Vk(x)—各响应点振动速度，A一振动速度限值，B一重量限值，Tj(x)—加强筋厚度，C、D一加强筋厚度限值。
优化技术得到推广还需考虑制造加工性，若现有工艺条件下不能被加工，或加工成本很高的优化结果，没有任何实用价值。因此优化中还考虑了控制结构成员尺寸大小，内、外腔拔模等制造工艺约束。综合以上因素，经过多次迭代计算收敛，获得可行设计方案，优化结果密度阀值取0.3,拓扑优化结果如图4所示。
图4 油底壳拓扑优化过程
根据拓扑优化结果对油底壳加强筋布置位置和形状进行提取并二次设计，加强筋的布置位置及截面形状是增加结构刚度的重要手段，建议截面尽可能设计为凸弧形或梯形，减少凹弧形或三角形，便于提高侧壁面的刚度。加强筋截面形状如图5所示。
图5 加强筋截面形状
2.2 形貌优化
形貌优化由设定的起筋高度、宽度等参数，在可设计域中根据节点扰动生成薄壁结构的强化压痕，用于提高结构强度、刚度等要求，优化过程不删除材料。因油底壳底面结构平而大，易向外辐射噪声，需在拓扑优化基础上，对油底壳底部再进行形貌优化，增加其底部刚度。优化目标使底面一阶频率最大，底部形貌优化结果如图6所示。
图6 油底壳底部形貌优化
3 优化模型分析对比
薄壁件的质量、刚度相对发动机曲轴箱较小，其结构上的局部变化对箱体传递过来的振动激励影响不大，油底壳优化设计前后的方案对比如图7所示。优化后油底壳减重约l00g，油底壳振动响应点处的振动速度相比优化前有不同程度的降低，振动速度曲线对比结果如图8所示，各项性能指标改善对比如表1所示。
图7 油底壳优化前后设计对比
图8 油底壳优化前后响应点振动速度对比
表1 优化后各性能指标改善情况
4 结论
本文从减重与降噪两对立面考虑，结合结构振动理论及优化设计方法，对薄壁件进行频响分析和优化设计，最终达到减重、降噪的目的。分析结论如下：
(1)薄壁件作为发动机表面辐射的主要噪声源，可以通过改善结构刚度，控制结构表面的振动速度有效控制表面辐射噪声；
(2)采用振动理论及优化设计方法，对薄壁件进行频响分析和优化设计，使得优化后的油底壳重量相比原方案减轻，同时各壁面的振动速度比原方案有明显的降低；
(3)通过采用拓扑优化和形貌优化技术，为发动机薄壁件的设计提供了有效的指导方法。
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本文标题：发动机油底壳的降噪设计
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