利用GTPower分析壁面吸聲材料對(duì)汽車排氣消聲器性能的影響

1、188 蕪湖,2008年9月 中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第八屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集APC2008-039 利用GT-Power分析壁面吸聲材料對(duì)汽車排氣消聲器性能的影響田翠翠,侯獻(xiàn)軍,劉志恩,王天田(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北武漢 430070摘 要:用GT-Power軟件對(duì)某汽車消聲器進(jìn)行建模和仿真,通過建立3組在消聲器殼體內(nèi)壁粘貼不同吸聲材料的模型,對(duì)其進(jìn)行仿真對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)在消聲器殼體內(nèi)壁粘貼吸聲材料,能提高消聲器的插入損失。且隨材料密度的增加,插入損失在低頻段有較大的增加,而在中高頻段變化不大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了采用GT-Power對(duì)消聲器的插入損失進(jìn)行仿真分析其結(jié)果是可信的。關(guān)鍵詞:排氣消聲器;插入損

2、失;吸聲材料;GT-PowerAnalysis the effect of noise absorption material on Muffler Based on GT-PowerTIAN Cui-cui, HOU Xian-jun, LIU Zhi-en, WANG Tian-tian(Wu Hang University of Technology, Wuhan 430070, ChinaAbstract:mufflers with different noise absorption materials in 3 groups were built and simulated by

3、GT-Power. Wefound installing noise absorption material in the muffler increased the insert- loss. Besides, with the increase ofdensity of the material, the insert-loss would increase at the low frequency but had few affections at the mid-highfrequency. The experimental data manifests the result was

4、creditable that adopting GT-Power to analyze theinsert-loss of the silencer.Key words: silencer; insert-loss; noise absorption material;GT-Power由于噪聲法規(guī)的日益嚴(yán)格和顧客對(duì)汽車舒適性要求的提高,降低車內(nèi)外噪聲已成為目前亟待解決的問題,而汽車消聲器是降低車內(nèi)外噪聲行之有效的手段之一1。消聲器的結(jié)構(gòu)不同,其消聲效果必然不一樣,變化沒有規(guī)律。本文在不改變消聲器結(jié)構(gòu)的前提下,利用GT-Power軟件,就其是否添加吸聲材料對(duì)消聲性能的影響進(jìn)行分析。1 發(fā)動(dòng)機(jī)模

5、型的建立GT-Power軟件是以一維的CFD計(jì)算為基礎(chǔ),采用有限容積法對(duì)熱流體進(jìn)行模擬計(jì)算的軟件。它把發(fā)動(dòng)機(jī)的各系統(tǒng)分為不同的功能模塊進(jìn)行面向?qū)ο蟮木幊?然后將這些通用的功能模塊以模板的形式存儲(chǔ)起來形成范本庫。該軟件的模板庫非常豐富,包括了流體組件、機(jī)械部件、分析工具和模擬過程控制等能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所有運(yùn)行工況進(jìn)行模擬所需要的組件和分析工具。該軟件系統(tǒng)提供一個(gè)與其它GT-SUITE系列產(chǎn)品共享的前處理建模環(huán)境GT-ISE,建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型時(shí),只需將相應(yīng)的模板拷貝到GT-SUITE中形成對(duì)象并給對(duì)象的屬性賦值,再將這些對(duì)象連接起來進(jìn)行有機(jī)的集成,形成一個(gè)與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)輸入與輸出相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真程序2。本次

6、試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且罁?jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)建立起來的。發(fā)動(dòng)機(jī)模型如圖1所示。作者簡(jiǎn)介:田翠翠(1984-,湖北赤壁人,武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院動(dòng)力機(jī)械及工程碩士研究生,主要從事蕪湖,2008年9月 田翠翠等:利用GT-Power分析壁面吸聲材料對(duì)汽車排氣消聲器性能的影響 189 圖1 某發(fā)動(dòng)機(jī)GT-Power計(jì)算模型2 消聲器及其性能計(jì)算模型的建立2.1 仿真系統(tǒng)介紹GT-Power擁有專門的消聲器設(shè)計(jì)系統(tǒng),用于設(shè)計(jì)消聲器殼體外形的二維圖,可以對(duì)消聲器的前端及后端流通平面的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì),每個(gè)設(shè)計(jì)模板由一個(gè)圓均分的72個(gè)點(diǎn)陣組成,用戶可以根據(jù)需要在徑向方向上調(diào)整72個(gè)點(diǎn)的位置,來改變殼體的形狀,根據(jù)需

7、要便捷地設(shè)計(jì)出殼體形狀。在消聲器殼體中填充管子和其它部件才能生成完整的消聲器。GT-Power提供了一個(gè)包含消聲器零件庫的二維繪圖區(qū),零件庫包括:隔板、消聲器殼體、直管、彎管、穿孔管、穿孔板等,還包括吸聲材料,使消聲器的制作十分的便捷。GT-Power提供了正視圖及左視圖兩種視圖模式,設(shè)計(jì)者可以根據(jù)兩個(gè)視角,方便地按工程圖的方式填充零件3。繪制完二維圖后可以直接點(diǎn)擊工具欄的三維視圖按鈕,查看三維圖。此外,用戶還可以用方向鍵對(duì)三維圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等操作,在操作的過程中,設(shè)計(jì)者可以清晰地看到建立的模型是不是自己所希望的。如有錯(cuò)誤,可以回到二維視圖中加以改正。將建立的二維視圖轉(zhuǎn)化為.dat檔后,導(dǎo)入到GT

8、-ISE中進(jìn)行處理,建立插入損失和壓力損失的計(jì)算模型并進(jìn)行模擬計(jì)算。仿真的結(jié)果可以在GT-POST 中查看,仿真后的數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)出重新進(jìn)行各種比較或者進(jìn)行其它處理。利用GT-Power對(duì)消聲器進(jìn)行性能分析的過程見圖2。 圖2 利用GT-Power進(jìn)行消聲器插入損失仿真流程圖190 蕪湖,2008年9月 田翠翠等:利用GT-Power 分析壁面吸聲材料對(duì)汽車排氣消聲器性能的影響2.2 消聲器模型的建立本文根據(jù)某一車型的排氣系統(tǒng)圖(見圖3,建立了一個(gè)主、副消聲器相耦合的系統(tǒng)模型。為了便于仿真比較,本文僅對(duì)副消聲器進(jìn)行相應(yīng)的變化,而主消聲器保持不變。副、主消聲器的模型如圖4和圖5所示。在圖4的主視圖

9、中,左邊為進(jìn)氣口,右邊為排氣口,在排氣口這邊的管子上有618個(gè)直徑為3mm的小孔。本實(shí)驗(yàn)在10006000 r/min 較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行。把建立好的消聲器模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊鏈接起來得到仿真模型,用該模型進(jìn)行仿真分析。 圖3 某型汽車的排氣系統(tǒng) 圖4 副消聲器的二維模型 圖5 主消聲器的二維模型2.3 插入損失模型的建立消聲器的消聲原理是利用各種消聲結(jié)構(gòu)(膨脹腔、穿孔管等消耗掉噪聲的聲能量,從而達(dá)到降低噪聲的目的。一般用插入損失和功率損失作為評(píng)價(jià)汽車消聲器性能的指針。插入損失定義為安裝消聲器前后在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口某固定測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的計(jì)數(shù)聲級(jí)之差,它直接反映了消聲器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的消聲效果。該指標(biāo)能綜合

10、地反映內(nèi)燃機(jī)、消聲器和消聲尾管的匹配特性,在實(shí)際試驗(yàn)中測(cè)試又比較方便,因此人們通常采用它作為消聲器性能的評(píng)價(jià)指針。GT-Power也提供了一個(gè)計(jì)算插入損失的功能模塊InserLoss。通常情況下計(jì)算插入損失必須建立兩個(gè)模型,一個(gè)帶消聲器的模型和一個(gè)不帶消聲器的空管模型。兩個(gè)模型在排氣口處的聲壓級(jí)之差即為插入損失4。在計(jì)算分析中可采用如圖6所示的近似模型。 圖6 消聲器插入損失的計(jì)算模型蕪湖,2008年9月 田翠翠等:利用GT-Power 分析壁面吸聲材料對(duì)汽車排氣消聲器性能的影響 1913 仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析為了研究不同吸聲材料對(duì)插入損失的影響,本文設(shè)計(jì)了三組試驗(yàn)。第一組:保持主消聲器的模型不

11、變,副消聲器后端的穿孔管上不添加吸聲材料,定義為“without”;第二組:保持主消聲器的模型不變,副消聲器后端的穿孔管外側(cè)填充密度為20g/L的吸聲羊毛材料,定義為“20-with”;第三組:保持主消聲器的模型不變,副消聲器后端的穿孔管外側(cè)填充密度為150g/L的吸聲羊毛材料,定義為“150-with”。將相應(yīng)的消聲器模型加入到插入損失的模型中去,就可以計(jì)算其插入損失。按照在消聲器模型建立時(shí)的分組,各組消聲器的在GT-Power中仿真得到的結(jié)果如圖7所示。筆者按照上述三組方案,分別試制了消聲器的樣件,并且做了插入損失實(shí)驗(yàn)。圖8為三種消聲器插入損失的實(shí)驗(yàn)值比較。 圖7 插入損失的仿真比較 圖8

12、 插入損失的實(shí)驗(yàn)值比較從圖7可以看出,是否填充吸聲材料,對(duì)消聲器的插入損失有較大的影響。加入吸聲材料后,消聲器的插入損失會(huì)增大,尤其在中高頻段增加的較快。這是因?yàn)槲暡牧现饕罩懈哳l率的噪聲。且隨著吸聲材料密度的增加,在低頻段插入損失會(huì)增加,但在中高頻段幾乎沒有什么變化。從圖8可以看出,GT-Power的仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值具有一致性,模擬計(jì)算的結(jié)果在變化趨勢(shì)上基本上和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)是一致的。4 結(jié)論(1 GT-Power軟件為包括消聲器在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)各總成設(shè)計(jì)方面提供了一個(gè)很好的分析工具,為消聲器的建模而專門設(shè)計(jì)的圖形化處理程序新穎、直觀,使用便捷。(2在消聲器內(nèi)添加吸聲材料,對(duì)其插入損失有較大的影響。加入吸聲材料后,消聲器的插入損失會(huì)增大,在中高頻段增加得更快,這是因?yàn)槲暡牧现饕罩懈哳l率的噪聲。且隨著吸聲材料密度的增加,在低頻段插入損失會(huì)增加,但在中高頻段幾乎沒有什么變化。(3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用GT-Power的仿真結(jié)果在變化趨勢(shì)上具有一致性,因而采用GT-Power計(jì)算消聲器的插入損失是可信的。參 考 文 獻(xiàn)1 李林凌,黃其柏,連小珉等. 汽車消聲器設(shè)