基于FEM/BEM的變速器箱體輻射噪聲研究
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結(jié)構(gòu)的聲輻射問題的分析方法主要有解析法和數(shù)值法兩大類。解析法適用于結(jié)構(gòu)及邊界條件較為規(guī)則的簡單的問題，對于復雜結(jié)構(gòu)的聲輻射問題，采用解析法求解是非常困難的，而采用數(shù)值法則比較容易解決復雜結(jié)構(gòu)和復雜邊界條件的聲學計算問題。常見的數(shù)值方法有遷移矩陣法、有限元法、邊界元法、無限元法、統(tǒng)計能量法等，其中有限元法和邊界元法已成為研究三維任意復雜結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)聲輻射特性和聲振耦合機理的有效工具。本文將采用有限元法和邊界元法對復雜箱體的噪聲輻射進行研究。
2 箱體有限元和邊界元模型的建立
建立準確可靠的計算模型，是應(yīng)用有限元進行結(jié)構(gòu)動力學仿真的前提。根據(jù)圣維南原理，對模型的局部進行細小的在改動并不特別影響模型總的分析結(jié)果;同時根據(jù)研究的需要，對箱體的有限元模型主要作了如下合理簡化和假設(shè)：
(1)將放油螺栓、倒角和箱體的控制油通道等省略，其主要是考慮到下一步建立聲學模型的復雜性;
(2)將箱體視為一個整體(忽略箱體上的所有螺栓);
由于該箱體為一不規(guī)則薄壁件，結(jié)構(gòu)比較復雜，各面的箱壁的厚度并不完全一致，有些地方還有加強筋，而且在軸承座的地方還有局部加厚，箱體內(nèi)還有一定液面高度的潤滑油，因此采用實體單元建模。利用三維建模軟件Pro/E，建立三維模型，然后導入到Patran中建立流固耦合的有限元模型。單元類型為四面體十節(jié)點二次元，箱體結(jié)構(gòu)由64348個實體單元構(gòu)成，箱體內(nèi)部的油液由4594個流體單元構(gòu)成，在流體和結(jié)構(gòu)的接觸面定義其耦合關(guān)系。同時，選取箱體的外表面進行平面網(wǎng)格劃分，建立邊界元模型，其共有6521個面單元組成。
變速箱箱體的振動激勵成分非常復雜，按照激勵的來源主要包括兩部分：
(1)外部激勵：主要有發(fā)動機扭振激勵通過軸系傳遞到變速箱箱體，車體振動(來自發(fā)動機振動、路面激勵等)通過變速箱的固定支撐點傳遞到箱體;
(2)內(nèi)部激勵：主要有齒輪的時變剛度特性、轉(zhuǎn)軸的動不平衡、內(nèi)部油液的攪動等引起的振動激勵這些振動激勵力經(jīng)軸承座或者支撐點傳遞到箱體，激起變速箱箱體表面的振動，從而輻射出機械噪聲。其中，在正常工況下箱體的內(nèi)部激勵較外部激勵小。箱體受到主要激勵來源于外部激勵。而外部激勵中的路面激勵的表現(xiàn)形式較為復雜，為了簡化計算，探討變速箱箱體噪聲輻射的數(shù)值計算方法，本文取發(fā)動機扭振激勵作為箱體激勵源。如圖3所示為發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1200r/min時，變速箱四檔時，箱體前端面輸入端軸承座所受的激勵力譜。由圖3可以看出，激勵力的能量主要集中在低頻段，頻域內(nèi)峰值分布在發(fā)動機轉(zhuǎn)速各個諧次上。在箱體有限元模型的各個軸承座處加入各自所受的激勵力譜。同時根據(jù)箱體的實際安裝情況，在箱體有限元模型的左右輸出端支座和前端面上的支撐點，進行六自由度固定約束。箱體阻尼比根據(jù)經(jīng)驗取0.06。
圖3 前端面輸入端軸承座處所受載荷的激勵力譜
在有限元求解時，選用完整法(Full)進行求解。完整法是諧響應(yīng)分析最常用、適用面最廣的一種分析方法。該法雖然求解慢，但是其使用完整的結(jié)構(gòu)矩陣，且允許非對稱矩陣，可以在實體模型上加載，特別適合求解結(jié)構(gòu)較復雜的有限元模型。其他兩種方法：縮減法和模態(tài)疊加法，雖然都比完全法求解快，但是縮減法不能施加單元載荷，而且所有載荷必須施加到主自由度上;模態(tài)疊加法不能施加非零位移，而且初始條件不能有預加載荷。
取箱體表面位移和表面加速度作為箱體振動的評價指標。并取箱體振幅較大的頻率220Hz頻率接近箱體的一階頻率(216.15Hz)。由圖4可以看出箱體前端面的振動最為明顯。
圖4 箱體220Hz強迫振動位移云圖
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