一种发动机塑料零部件低噪声设计方法与流程

本发明涉及一种发动机塑料零部件低噪声设计方法。

背景技术：

发动机塑料零部件由于具有优异的阻尼特性，在发动机降噪中发挥着重要的作用，发动机塑料零部件多采用纤维增强塑料，可以保证塑料零部件具有足够的强度，纤维增强塑料的力学性能随纤维取向和结构形状的改变而不同，因此，基于各向同性材料模型和各向异性材料模型在静力学分析和动态响应计算时会得到不同的结果，并且具有一定的差异，这就意味着基于各向同性材料模型的计算结果会导致明显的误差，特别是对于一些面积较大的薄板类零部件，结果误差会更大，这样不仅不能得到正确的零部件性能分析结果，反而会对后续的优化设计产生误导，因此，提出一种发动机塑料零部件低噪声设计方法对发动机的低噪声设计具有重要意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的提供一种可以提高预测模型准确性的发动机塑料零部件低噪声设计方法，本发明的技术方案如下：

一种发动机塑料零部件低噪声设计方法，包括下列步骤：

(1)建立注塑模型，其浇口位置在中间，纤维流动方向为从左向右，从而获得沿纤维方向和垂直纤维方向两个不同的测试样件；从不同方向对所建立的测试样件进行拉伸试验测试，分别获得纤维方向和垂直纤维方向的弹性模量E₁和E₂。

(2)根据纤维方向和垂直纤维方向的弹性模量E₁和E₂₂，泊松比取值与各向同性取值相同，构建各向异性材料弹性本构方程,在有限元软件中进行各向异性材料属性的定义：

其中，刚度矩阵[D]_m中的常量通过计算柔度矩阵[C]_m的逆矩阵得出；

(3)通过模流分析得到塑料零部件中纤维的流动方向以及最终的纤维取向，塑料零部件不同部位纤维取向不同，因此对塑料零部件不同部位通过定义局部坐标系的方式来定义纤维方向，结合上述各向异性材料属性实现纤维增强塑料零部件不同部位的材料定义。

(4)通过在塑料零部件与发动机机体螺栓连接处贴振动加速度传感器，获得塑料零部件的振动激励，通过在塑料零部件螺栓孔处施加振动激励，来计算塑料零部件的振动响应结果；

(5)将塑料零部件的表面振动响应结果映射到声学包络网格中，进行声学边界元计算，获得塑料零部件的辐射噪声大小；

(6)根据辐射噪声结果分析噪声峰值频率，通过计算塑料零部件的约束模态，找出与峰值频率最接近的模态阶次，作为优化目标，改动结构来提高该模态阶次的模态频率，避开共振频率，降低辐射噪声。

本发明通过材料拉伸试验获得纤维方向和垂直纤维方向的弹性模量，构建各向异性材料弹性本构方程，通过局部坐标系来定义纤维方向，实现各向异性材料属性的定义，提高预测模型的准确性。

附图说明

图1所示的注塑模型

图2不同材料属性的有限元模型

图3机油冷却器罩盖噪声预测结果，(a)为各向同性，(b)为各向异性

图4优化后的塑料机油冷却器盖噪声

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。本发明的具体步骤如下：

(1)为了获得沿纤维方向和垂直纤维方向两个不同的测试样件，可以建立如图1所示的注塑模型，注塑模型的浇口位置在中间，这样可以使纤维取向更加一致，在大虚线框内可以获得纤维取向一致的材料样件，从图中可看出纤维流动方向为从左向右，因此可以获得纤维方向样件和垂直方向样件。对不同方向的样件进行拉伸试验测试，分别获得纤维方向和垂直纤维方向的弹性模量E₁和E₂。

(2)根据弹性模量E₁和E₂，泊松比μ₁₂和μ₂₃取值与各向同性材料取值相同，构建各向异性材料弹性本构方程,在有限元软件中进行各向异性材料属性的定义。

其中，刚度矩阵[D]_m中的常量可以通过计算柔度矩阵[C]_m的逆矩阵得出。

(3)利用软件MOLDFLOW通过模流分析可以得到塑料零部件中纤维的流动方向以及最终的纤维取向，塑料零部件不同部位纤维取向不同，因此对塑料零部件不同部位通过定义局部坐标系的方式来定义纤维方向，结合上述各向异性材料属性可实现纤维增强塑料零部件不同部位的材料定义。

(4)通过在塑料零部件与发动机机体螺栓连接处贴振动加速度传感器，可以获得塑料零部件的振动激励，通过在塑料零部件螺栓孔处施加振动激励，来计算塑料零部件的振动响应结果。

(5)将塑料零部件的表面振动响应结果映射到声学包络网格中，进行声学边界元计算，可获得塑料零部件的辐射噪声大小。

(6)根据辐射噪声结果分析噪声峰值频率，通过计算塑料零部件的约束模态，找出与峰值频率最接近的模态阶次，作为优化目标，通过结构优化软件或手动改动结构来提高该阶次模态频率，避开共振频率，降低辐射噪声。

实施例：

根据塑料机油冷却罩盖的纤维取向结果，有限元模型可以分为12组，共包括52个分块，如图2所示；同一组内的不同分块具有相同的纤维取向和相同的颜色，利用局部坐标系对不同分块的纤维取向进行了定义，在仿真计算中，塑料机油冷却器罩盖的螺栓孔位置约束六个自由度。

为了对比各向同性材料模型和各向异性材料模型在模态特性方面的差异，对两种模型的塑料机油冷却器罩盖分别进行自由模态仿真分析；为了验证本文提出的基于各向异性材料特性建模和仿真方法的准确性，对塑料机油冷却器罩盖进行了模态试验测试；

各向同性和各向异性材料模型的计算自由模态频率和试验模态频率结果对比，如表1所示，

表1塑料机油冷却器盖模态频率对比

参见图3，从两种材料模型的噪声预测结果中可以发现，各向异性材料模型的声功率结果与各向同性材料模型结果存在一定差异，且在500Hz到1000Hz范围区间，各向异性材料模型噪声结果在此频率段明显低于各向同性材料模型噪声结果，通过计算可以发现，各向异性材料模型的整体噪声低于各向同性材料模型2.05dB。

将结构优化后的辐射噪声结果与原始塑料机油冷却器罩盖的辐射噪声结果进行对比，可以发现优化后辐射噪声结果有所降低，通过计算可知，优化后的塑料机油冷却器罩盖辐射噪声总声功率级为93.97dB，比初始模型的辐射噪声总声功率级低4.18dB。