基于FEM/BEM的變速器箱體輻射噪聲研究
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結構的聲輻射問題的分析方法主要有解析法和數值法兩大類。解析法適用于結構及邊界條件較為規則的簡單的問題，對于復雜結構的聲輻射問題，采用解析法求解是非常困難的，而采用數值法則比較容易解決復雜結構和復雜邊界條件的聲學計算問題。常見的數值方法有遷移矩陣法、有限元法、邊界元法、無限元法、統計能量法等，其中有限元法和邊界元法已成為研究三維任意復雜結構穩態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，是應用有限元進行結構動力學仿真的前提。根據圣維南原理，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果;同時根據研究的需要，對箱體的有限元模型主要作了如下合理簡化和假設：
(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則薄壁件，結構比較復雜，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點二次元，箱體結構由64348個實體單元構成，箱體內部的油液由4594個流體單元構成，在流體和結構的接觸面定義其耦合關系。同時，選取箱體的外表面進行平面網格劃分，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)內部激勵：主要有齒輪的時變剛度特性、轉軸的動不平衡、內部油液的攪動等引起的振動激勵這些振動激勵力經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值計算方法，本文取發動機扭振激勵作為箱體激勵源。如圖3所示為發動機轉速為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，頻域內峰值分布在發動機轉速各個諧次上。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。箱體阻尼比根據經驗取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構矩陣，且允許非對稱矩陣，可以在實體模型上加載，特別適合求解結構較復雜的有限元模型。其他兩種方法：縮減法和模態疊加法，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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