摘 要

随着汽车保有量的急剧递增，有数据显示到2017年底我国机动车的保有量以达到了3.1亿辆，汽车所带来的污染也越来越严重。噪声污染作为四大污染之一，而汽车噪声是城市噪声污染的重要组成部分，所带来的问题不容小觑。油底壳是汽车发动机的重要组成，有着储存润滑油，和密封曲轴箱等不可替代的作用。但其所发出的表面辐射噪声却占整个发动机噪声的24%左右，因此对油底壳进行减震降噪是优化柴油机性能的一个重要部分。

本文主要使用三维建模和有限元分析技术对柴油机油底壳进行建模及优化，得出油底壳在自由模态和约束模态下的各阶固有频率和振动云图。通过分析油底壳在各阶模态下的振动云图，找到油底壳振动变形最剧烈的部分，从而把振动剧烈的部分进行结构优化和改进，降低该部分的结构振动，以达到油底壳减振降噪的目的。

通过利用三维建模软件CATIA建立某一款柴油机的油底壳模型，然后将建立好的油底壳三维模型倒入有限元分析软件Hypermesh中，设立合适的网格单元参数进行网格的划分，划分完成后进行必要的单元格质量检查，在赋予油底壳模型的合理的模型单元属性，通过建立一定的载荷，计算得到油底壳的自由模态和约束模态分析图。利用OptiStruct模块对油底壳的有限元模型进行结构拓扑优化，得出在油底壳底部添加了六个加强筋，把优化后的结果与未优化的结果作模态对比，把第一阶固有频率提高了4.89%，降低了柴油机油底壳因振动而发出的噪声。

关键词：油底壳模型，自由模态，约束模态，结构优化

Abstract

With the rapid increase in car ownership, data show that by the end of 2017, the number of motor vehicles in China reached 310 million vehicles, and the pollution caused by automobiles has become more and more serious. Noise pollution as one of the four major pollution, and automobile noise is an important part of urban noise pollution, the problems caused by the problem can not be underestimated. The oil pan is an important component of automobile engine, it has the irreplaceable function of storing lubricating oil and sealing crankcase. However, the radiated noise of the surface is about 24% of the noise of the whole engine, so it is an important part to optimize the performance of the diesel engine to reduce noise.

In this essay, the natural frequencies and the vibration cloud of the oil pan under free modal and restrained mode are obtained by studying the structure dynamics characteristics of the oil bottom shell. By analyzing the vibration cloud picture of the oil pan under each order modal, the most intense part of the oil pan vibration deformation is found, so that the vibrating part is optimized and improved to reduce the structural vibration of the oil pan to achieve the aim of reducing vibration and noise.

Based on the three-dimensional modeling software CATIA, a model of the oil pan of a diesel engine is built, then the three-dimensional model of the oil pan is poured into the finite element analysis software Hypermesh, and the appropriate grid element parameters are set up to partition the grid, and then the necessary cell quality checks are done. In this paper, the free modal and the constrained modal analysis diagram of the oil pan are obtained by establishing a certain load for the reasonable model element property of the oil pan model. The structural topology optimization of the finite element model of the oil pan is carried out by using Optistruct module, by adding six reinforcement bars at the bottom of the oil pan, the optimized results were compared with the results of the optimization, the first natural frequencies were improved by 12.3%, and the vibration and noise reduction was optimized.

Key words: Oil pan model, Free mode, Constrained mode, Structure optimization

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 引言 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状 2

1.3 本文主要研究内容与技术方案 3

第2章 油底壳三维模型的建立 5

2.1 CATIA软件的介绍 5

2.2 油底壳主要数据参数 5

2.3 三维模型的建立 7

第3章 有限元模型的建立及模态分析 8

3.1 有限元法的简介 8

3.2 相关软件介绍 8

3.2.1 Hypermesh软件介绍 8

3.2.2 Optistruct软件介绍 9

3.3 油底壳有限元模型的建立 9

3.3.1 有限元模型的要求 9

3.3.2 有限元网格类型的确定 10

3.3.3 有限元模型的建立过程 10

3.4 结构模态分析理论 14

3.5 油底壳的自由模态计算及分析 16

3.6 油底壳的约束模态计算及分析 18

3.7 油底壳模态结果分析 20

第4章 油底壳拓扑优化 21

4.1 结构表面辐射噪声的控制 21

4.2 拓扑优化基本理论 21

4.3 油底壳的结构优化 22

4.3.1 油底壳有限元模型的重构 22

4.3.2 优化问题的设置与求解 23

4.3.3 优化油底壳 24

4.4油底壳优化模型的计算 24

4.5 原模型与优化后模型对比分析 26

第5章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

致谢 30

参考文献 31

第1章 引言

1.1 研究背景及意义

近些年，随着我国经济的高速发展，汽车已经不在是专属于少量的特有人群了，已经进入了千家万户，成为了人民生活必不可少的交通工具了^[1]。数据表明中国在2014年的时候汽车销售量突破了2300万辆，到2014年底我国汽车总保有量达到14475万辆^[2]。在2017年年底时，全国机动车保有量达到了3.1亿辆，其中还有53个城市的汽车保有量竟然突破了百万。面对汽车的数量的严重增加，汽车制造技术越来越成熟，越来越大批量生产作业的时候，资源不足和环境污染问题也层出不穷，噪声问题也成为困扰人类生活最严重的环境问题之一。

噪声污染被称为当今四大污染之一，对环境和人类健康有着巨大的威胁。面对如今汽车数量如此之大，汽车也因此被称作城市噪声污染的源头^[3]。汽车噪声问题不仅严重影响了人们的生活，振动噪声也将对发动机本身造成严重的伤害，如发动机振动变形，发动机振动解体等。20世纪60年代开始，国外发达国家就已经出台了相关的法律措施来控制车辆噪声，主要形成了两大体系组织欧洲经济委员会体系(Economic Commission for Europe，ECE)和国际标准化组织(international Organization for Standardization，ISO)两种体系，车辆噪声问题也因此得到了广泛的关注^[4]。现阶段，汽车噪声污染已经成为了城市扰民最主要的部分，为减少噪声污染这一严重问题，各种减振降噪的优化设计措施也迫在眉睫。

有数据显示交通噪声是造成城市噪声70%的主要来源，而汽车噪声正是交通噪声的重要组成部分。一方面它影响着人们的生活、工作和健康的舒适程度,另一方面还严重地污染着城市环境^[5,6]。内燃机的噪声是由多种噪声复合形成的，按声音的辐射方式划分，内燃机噪声通常分为两类：结构噪声和空气动力噪声，而油底壳产生的噪声主要为结构噪声即表面辐射噪声。油底壳作为柴油机最底部的一个部分，但对其柴油机的影响却十分重要。油底壳的功能主要为密闭曲轴箱，防止外界杂质进入其中，储存且收集润滑油，并与机油泵一起为发动机各部分提供润滑，还有着散去收集润滑油的热量。但因为其材料为薄壁件，油底壳振动噪声占内燃机总噪声中15%到21%左右（见图1-1）。油底壳振幅的平均值为发动机缸盖的17.1倍，在其他频率下也表明油底壳是内燃机振动最大的零件，也是最大的表面噪声辐射源^[7]。油底壳因振动而产生的噪声也会使得内燃机振动性强，车内舒适性差等缺点。随着柴油机朝着轻量化的目标发展，油底壳通常采用薄钢板冲压而成。但作为薄壁件，其振动噪声问题日益严重，因此对柴油机油底壳振动噪声优化对于发动机整体降噪有着极大的意义^[8]。