利用DOE优化消音器声学结构

2018-05-16周维许亚峰

汽车零部件 2018年4期

周维,许亚峰

(华晨汽车工程研究院动力总成综合技术处，辽宁沈阳 110104)

0 引言

长久以来在消音器设计领域，传统的优化方法是在多种设计方案中进行比较分析，或者是针对一套方案的某一结构进行优化。这样不仅无法找到最优的设计方案，也受制于工程师的经验，而且增加了开发成本。现代DOE(Design of Experiment)是一门以应用数学、统计学、计算机辅助建模为基础的“基础模型优化”的前沿科学，它通过科学地安排实验方案，正确地分析实验结果，尽快获得最优方案[1]。

作者将DOE方法引入到消音器设计优化过程中，应用GT-Power建立发动机热力学和声学分析模型，利用DOE设计消音器声学结构参数，迅速找出独立变量和相关变量的关系，确定最优的消声结构，大大缩短优化时间[2]。

1 原始消音器结构及存在的问题

在初始设计中，原排气系统中、后消音器模型分别如图1、图2所示。通过整车测试，测得的排气系统声学特性与仿真结果对比如图3—5所示。

图1 中消音器结构

图2 后消音器结构

图3 尾口噪声测试结果

图4 尾口噪声计算结果

图5 排气背压计算结果(kPa)

从图3、图4可以看出:在3 000 r/min内尾管总声压级、2阶及4阶仿真结果与实际测试有很高的吻合度，特别是4阶1 600～2 100 r/min范围内超出目标线的峰值也可以从仿真中体现出来;6阶、8阶与实测值差异较大，原因在于软件基于一维平面波理论开发、对于一些高频噪声计算有理论缺陷，搭建的发动机模型及排气系统有几何误差。因此次测试的问题点已经从仿真中体现出来，所以这里也就不再对模型进行标定[3-4]。此次测试的冷端背压为20 kPa，通过对模型的标定使背压的仿真结果与实测值吻合，作为后续优化方案的对标模型来确保背压在控制范围内。

针对4阶噪声超出目标线的峰值，计划在原方案的基础上，采用模拟计算结合DOE的方法，对设计参数进行调整，以满足NVH性能要求。

2 基于DOE的消音器参数化设计

2.1 排气系统调音的变量

决定排气系统声学优劣主要有以下几个方面：

(1)发动机的设计与标定。气缸个数、排量、气门升程曲线，排气温度、缸压、点火时刻影响声源的强度。

(2)Y-形管长度。V型发动机不同的Y-形管长度决定半阶次和点火阶次的等级。

(3)消音器和催化转化器的容积。消音器和催化器的总容积是决定排气系统插入损失最关键的因素。

(4)消音器的位置和数量。几个小容积的消音器要比一个相同容积的消音器更好，因为消音器连接管路更短，产生驻波的概率降低。

(5)消音器内部设计。在以上条件的限制下，内部结构的设计决定哪些频率被削弱或者通过，这也是调音最后的机会。

作者从以往项目经历以及相关声学理论中总结以下优化方向:(1)消音器容积增大可以提高中、低频消声性能；(2)排气系统管道(消音器内以及连接管、尾管等)可以提高中、低频消声性能；(3)合理的赫尔姆兹共振腔参数可以提高中、低频消声性能；(4)赫尔姆兹共振腔壁上打几个小孔，可以提高中、低频(非共振腔消声频率)消声性能；(5)排气管道中增加堵头时，可以提高中、低频消声性能；(6)尾管长度和走向影响中、低频噪声；(7)吸音材料的填充可以提高中、高频消声性能；(8)双尾管可以提高中、高频消声性能；(9)部分穿孔消音器的消声频率随穿孔率增大而增大。

2.2 中、后消音设计方案

此套排气系统中消音器结构简单，只起到辅助消声作用，因此中消音器结构保持不变，只对后消音器结构进行优化。

在后消音器中，依据设计经验选取L、D1、D2为可变参数，如图6所示，可变参数变化范围见表1。

图6 后消音器结构

表1 可变参数范围 mm

根据DOE设计原则，取各因素最高、最低水平共进行了27次试验，布点方式如表2所示。在GT-Power软件的DOE模块中可一次完成所有试验的仿真。

表2试验组合方案

2.3 GT-Power计算结果

DOE的计算是针对每个转速下不同因素组合的计算结果，这里作者选择问题转速2 000 r/min的计算结果。从图7、图8中可以看出D1=51 mm、D2=45 mm、L=70 mm时4阶声压级最低，是此次计算的最优方案。针对该方案作者单独做一次全转速下噪声水平(见图9)，同时采用定常流分析法预测管径变细带来的压力损失，冷端背压预计升高为22 kPa[5]。

图10为消音器几何参数D1、D2、L以及它们的二次项和交互项对消声量的影响，其中D1对结果影响较小，在后期优化过程中可忽略D1。