基于GT-Power的进气系统建模

雷雨田

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)

1 引言

随着人们生活水平的提高，消费者对车辆的关注点不仅局限于其动力性、经济性，对汽车的NVH性能，尤其是内燃机噪声也越来越重视。目前汽车主要依靠进气系统和排气系统进行噪声控制和声品质的调教。由于受机舱空间的限制，进气系统的布置空间非常狭小，而进气噪声在整车噪声中占据了较大的比例，因此进气系统的设计就显得尤为重要。传统的设计方法为先进行理论设计，随后进行样件试制和实验验证，这往往会耗费大量的时间和资源，加大开发周期和开发经费。近年来，计算软件的发展给设计带来了巨大的革新。GT-Power[1～3]软件在发动机性能和进排气系统声学仿真上有着较高的精度，利用该软件可以较好地解决传统开发方法中的弊端，因此该软件广泛地应用于发动机和进排气系统设计开发。

在进气系统空滤器的建模中[4～9]，大多数学者往往不考虑滤芯对声学性能的影响，胡先锋等[5]对带空滤器的进气系统的进气噪声阶次成分进行分析，运用三维有限元的方法通过将空滤器不考虑滤芯来获得声学性能。金岩等[6]通过将空滤器考虑成不带滤芯的情况，研究了进气噪声的声品质。近几年，学者们考虑到了滤芯对空滤器声学性能存在较大的影响，贾维新[7]将滤芯定义为多孔材料，对空滤器进行声学特性研究。刘联鋆等[8]通过建立带滤芯的空滤器模型，基于传递损失，研究了空滤器的声学性能。

对某1.5 L自然吸气车型，在整车半消实验室中进行进气噪声测试实验[10～16]。提出了一种空滤器滤芯的建模方法，即使用双层穿孔隔板中间填充吸声材料，并用吸声材料的参数设置表征滤芯的声学、毛孔参数，并基于传递损失验证模型的精度。基于GT-Power软件建立其进气系统仿真模型，并将模型的仿真值与试验值进行对标，验证了模型的准确性，使该模型可用于进气系统声学仿真研究。并对车辆进气噪声进行了测试。

2 整车进气噪声测试实验

对整车进气噪声测试实验在整车半消实验室中进行。测试设备采用LMS SCADAS Mobile 40通道数据采集系统及麦克风等。实验时2个前轮用隔音箱隔离，以此排除2前轮胎噪对进气口噪声的干扰；现需要排除发动机噪声对进气口噪声的干扰，采用的方法是先在发动机上端铺一层吸音棉，再铺一层铅板，最后再铺一层吸音棉，同时发动机机舱周围使用铅板隔围，缝隙处用吸音棉填充。麦克风测点位于离进气口1.4 m处。实验环境与麦克风布置位置如图1所示，车辆在三档全加速(3G_WOT)工况下的进气口1.4 m处噪声测试结果如图2所示。

图1 试验环境与传感器布置位置

图2 进气管口1.4 m出进气噪声测试结果

3 进气系统建模

原车的进气系统模型如图3所示，进气系统为车辆进气口到进气歧管之间的管路及消声元件，其对车辆噪声水平及声品质有着相当重要的作用。由图3可知该进气系统相对复杂，与一般的进气系统颇为不同，其消声元件由空滤器、1/4波长管、谐振腔1和谐振腔2组成。现利用GT-Power软件进行建模。

图3 进气系统数模

3.1 谐振腔、1/4波长管的建模

谐振腔、1/4波长管的建模方法相对简单，分别将谐振腔1、谐振腔2、1/4波长管CATIA数模导入GT-Power的前处理模块GEM3D，并离散后导入GT-Power软件。

3.2 物理空滤器的建模

空滤器由一个外壳体和滤芯组成，由于GT-Powe中无滤芯模拟模块，现用双层穿孔隔板形成一个腔体，腔体中添加吸音棉的方法来模拟滤芯进行仿真。其中双隔板穿孔率为98%，双隔板间距为50 mm。本文通过吸声材料的参数设置来表征滤芯的声学、毛孔参数。声学参数上，动力粘度系数、流体密度、热传导率等用初始温度及比热容来表征；毛孔参数上，Biot因子、孔隙率及流阻率等用材料密度与直径、填充密度及流阻系数来表征。滤芯参数见表1。现需要验证所建立的空滤器模型的模型精度。

3.3 空滤器滤芯传递损失

传递损失(TL)为声波流经声学元件的入射声功率级Lwi与透射声功率Lwt的差值，反映消声元件本身的声学特性，因此广泛将传递损失应用于消声性能评价，传递函数表达式为：

(1)

基于GT-Power软件建立空滤器传递损失模型，如图4所示，通过扬声器发出随机的白噪声作为声源信号，进口端和出口端的分别布置2个传声器，分别测量进口端的入射声压和出口端的透射声压，通过4个声压信号互谱和自谱运算，求解模型的传递损失。现以此模型进行空滤器传递损失仿真计算。计算结果如图5所示，由空滤器传递损失仿真值结果与实验值的对比可知，该空滤器模型在0～1000 Hz频率下传递损失仿真值与实验值误差在7%以内，且趋势基本一致，所以可以使用该方法替代空滤器滤芯进行仿真，即该空滤器模型可用于仿真计算。

表1 空滤滤芯材料参数

图4 空滤传递损失模型

由于发动机模型已经建立并完成对标，现将谐振腔1、谐振腔2、1/4波长管、空滤器等模型在GT-Power软件中与标定好的发动机模型耦合，建立进气系统声学仿真模型。根据之前整车进气噪声测试时麦克风测点的布置情况，在模型中将麦克风测点布置在离进气口1.4 m处，麦克风模型考虑了流体的影响，自由流体密度为1.205 kg/m3，即25 ℃时常压下的空气密度，流体速度为平均速度25 m/s，流体噪声为80 dB,流体噪声温度为298 K。建立的进气系统仿真模型如图6所示，现进行模型声学性能仿真计算。

经过仿真计算，图7为进气口1.4 m处噪声模型总阶次噪声及各主阶次噪声的仿真值与实验值的对比，由图可知，总阶次噪声仿真值与实验值误差在4.7%以内，2阶、4阶、6阶、8阶各主阶次噪声仿真值与实验值误差不大且趋势基本相同。因此该模型符合仿真精度要求，可以用于仿真研究。

图5 空滤传递损失仿真值与实验值对比

图6 进气系统声学仿真模型

图7 进气系统进气口噪声模型仿真值与实验值对比

4 结论

本文通过整车半消实验室进行了进气噪声测试；基于GT-Power软件建立了空滤器模型，并提出了一种空滤滤芯的建模方法；建立了进气系统仿真模型，通过仿真值与实验值进行了对比，验证了模型的准确性，现得出以下结论：

(1)GT-Power软件在0～1000 Hz下有较高的声学仿真精度，可用于声学产品的研究设计。

(2)在进气系统建模时，空滤器滤芯的建模可以使用双层穿孔隔板中间填充吸声材料，并用吸声材料的参数设置表征滤芯的声学、毛孔参数的方法。

(3)本文建立的进气系统仿真模型具有较高的精度，可用于声学性能仿真计算及进气系统消声性能研究。