利用DOE優(yōu)化消音器聲學結構

周維,許亞峰

(華晨汽車工程研究院動力總成綜合技術處，遼寧沈陽 110104)

0 引言

長久以來在消音器設計領域，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法是在多種設計方案中進行比較分析，或者是針對一套方案的某一結構進行優(yōu)化。這樣不僅無法找到最優(yōu)的設計方案，也受制于工程師的經驗，而且增加了開發(fā)成本。現(xiàn)代DOE(Design of Experiment)是一門以應用數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機輔助建模為基礎的“基礎模型優(yōu)化”的前沿科學，它通過科學地安排實驗方案，正確地分析實驗結果，盡快獲得最優(yōu)方案[1]。

作者將DOE方法引入到消音器設計優(yōu)化過程中，應用GT-Power建立發(fā)動機熱力學和聲學分析模型，利用DOE設計消音器聲學結構參數(shù)，迅速找出獨立變量和相關變量的關系，確定最優(yōu)的消聲結構，大大縮短優(yōu)化時間[2]。

1 原始消音器結構及存在的問題

在初始設計中，原排氣系統(tǒng)中、后消音器模型分別如圖1、圖2所示。通過整車測試，測得的排氣系統(tǒng)聲學特性與仿真結果對比如圖3—5所示。

圖1 中消音器結構

圖2 后消音器結構

圖3 尾口噪聲測試結果

圖4 尾口噪聲計算結果

圖5 排氣背壓計算結果(kPa)

從圖3、圖4可以看出:在3 000 r/min內尾管總聲壓級、2階及4階仿真結果與實際測試有很高的吻合度，特別是4階1 600～2 100 r/min范圍內超出目標線的峰值也可以從仿真中體現(xiàn)出來;6階、8階與實測值差異較大，原因在于軟件基于一維平面波理論開發(fā)、對于一些高頻噪聲計算有理論缺陷，搭建的發(fā)動機模型及排氣系統(tǒng)有幾何誤差。因此次測試的問題點已經從仿真中體現(xiàn)出來，所以這里也就不再對模型進行標定[3-4]。此次測試的冷端背壓為20 kPa，通過對模型的標定使背壓的仿真結果與實測值吻合，作為后續(xù)優(yōu)化方案的對標模型來確保背壓在控制范圍內。

針對4階噪聲超出目標線的峰值，計劃在原方案的基礎上，采用模擬計算結合DOE的方法，對設計參數(shù)進行調整，以滿足NVH性能要求。

2 基于DOE的消音器參數(shù)化設計

2.1 排氣系統(tǒng)調音的變量

決定排氣系統(tǒng)聲學優(yōu)劣主要有以下幾個方面：

(1)發(fā)動機的設計與標定。氣缸個數(shù)、排量、氣門升程曲線，排氣溫度、缸壓、點火時刻影響聲源的強度。

(2)Y-形管長度。V型發(fā)動機不同的Y-形管長度決定半階次和點火階次的等級。

(3)消音器和催化轉化器的容積。消音器和催化器的總容積是決定排氣系統(tǒng)插入損失最關鍵的因素。

(4)消音器的位置和數(shù)量。幾個小容積的消音器要比一個相同容積的消音器更好，因為消音器連接管路更短，產生駐波的概率降低。

(5)消音器內部設計。在以上條件的限制下，內部結構的設計決定哪些頻率被削弱或者通過，這也是調音最后的機會。

作者從以往項目經歷以及相關聲學理論中總結以下優(yōu)化方向:(1)消音器容積增大可以提高中、低頻消聲性能；(2)排氣系統(tǒng)管道(消音器內以及連接管、尾管等)可以提高中、低頻消聲性能；(3)合理的赫爾姆茲共振腔參數(shù)可以提高中、低頻消聲性能；(4)赫爾姆茲共振腔壁上打幾個小孔，可以提高中、低頻(非共振腔消聲頻率)消聲性能；(5)排氣管道中增加堵頭時，可以提高中、低頻消聲性能；(6)尾管長度和走向影響中、低頻噪聲；(7)吸音材料的填充可以提高中、高頻消聲性能；(8)雙尾管可以提高中、高頻消聲性能；(9)部分穿孔消音器的消聲頻率隨穿孔率增大而增大。

2.2 中、后消音設計方案

此套排氣系統(tǒng)中消音器結構簡單，只起到輔助消聲作用，因此中消音器結構保持不變，只對后消音器結構進行優(yōu)化。

在后消音器中，依據設計經驗選取L、D1、D2為可變參數(shù)，如圖6所示，可變參數(shù)變化范圍見表1。

圖6 后消音器結構

表1 可變參數(shù)范圍 mm

根據DOE設計原則，取各因素最高、最低水平共進行了27次試驗，布點方式如表2所示。在GT-Power軟件的DOE模塊中可一次完成所有試驗的仿真。

表2試驗組合方案

2.3 GT-Power計算結果

DOE的計算是針對每個轉速下不同因素組合的計算結果，這里作者選擇問題轉速2 000 r/min的計算結果。從圖7、圖8中可以看出D1=51 mm、D2=45 mm、L=70 mm時4階聲壓級最低，是此次計算的最優(yōu)方案。針對該方案作者單獨做一次全轉速下噪聲水平(見圖9)，同時采用定常流分析法預測管徑變細帶來的壓力損失，冷端背壓預計升高為22 kPa[5]。

圖10為消音器幾何參數(shù)D1、D2、L以及它們的二次項和交互項對消聲量的影響，其中D1對結果影響較小，在后期優(yōu)化過程中可忽略D1。

圖7 L與D1因數(shù)2 000 r/min下4階噪聲

圖9 尾管噪聲計算結果

圖10 消音器參數(shù)主效應圖(2 000 r/min)

3 整車測試結果

優(yōu)化方案搭載整車測試，測試條件為3擋-WOT，距離尾口500 mm(45°)，測試結果如圖11所示，所有曲線均在目標值以下，其中全階、二階、四階的仿真結果與實測結果也比較吻合，證明了該發(fā)動機模型和優(yōu)化方法在排氣噪聲開發(fā)過程中有足夠的精度和可操作性。

圖11 尾管噪聲測試結果

4 結論

(1)仿真結果的問題重現(xiàn)，是解決實際問題的前提，在關鍵問題點和聲學趨勢上如果與實際問題吻合便可以確定優(yōu)化方向及聲學方案篩選。

(2)排氣系統(tǒng)背壓測試在發(fā)動機臺架進行，噪聲測試在整車上完成，以實際工程經驗來看，兩者的冷端入口溫度有很大差異，所以文中背壓計算采用定常流分析法[5]，輸入臺架實測溫度和流量，計算結果準確度極高。

(3)DOE設計方法雖然可以一次完成所有計算，但也存在計算量過大、周期較長等缺點，后期可根據計算結果確定各參數(shù)貢獻量，提高優(yōu)化效率。

參考文獻:

[1]袁志發(fā)，周靜芋.試驗設計與分析[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]倪計民，解難，杜倩穎，等.基于DoE的車用消音器優(yōu)化設計[J].汽車技術，2012(3):22-26.

NI J M,XIE N,DU Q Y,et al.Optimization Design of Vehicle Muffler Based on DoE[J].Automobile Technology,2012(3):22-26.

[3]Gamma Technologies Inc.GT-Power User’s Manual-vers.6.1601[M].Oakmont.

[4]許亞峰，周維，劉兵，等.某發(fā)動機排氣系統(tǒng)尾管噪聲優(yōu)化[J].汽車實用技術，2017(10):25-28.

XU Y F,ZHOU W,LIU B,et al.Tailpipe Noise Optimization of Engine Exhaust System[J].Automobile Technology,2017(10):25-28.

[5]許亞峰，周維.一種排氣背壓的計算方法[J].汽車零部件，2017(4):25-28.

XU Y F,ZHOU W.A Kind of Calculation Method for Exhaust Back Pressure[J].Automobile Parts,2017(4):25-28.