基于DoE的车用消声器优化设计

    1前言

    在消声器的设计和优化过程中，主要存在以下过程中，模拟计算软件无法实现对尾管主要阶次噪声的准确模拟，限制了虚拟样机技术在开发前期的应用；在系统的集成和模块化设计方面，未形成综合评价体系，因此无法对模块化设计的结果进行有效评估； 在消声器优化设计方面， 试验设计（DoE）方法并未广泛运用，因此无法得到最优化的设计方案。本文针对消声器设计中存在的问题，应用GT-Power 软件建立发动机及排气系统计算模型，实现了其尾管总噪声和主要阶次噪声的精确模拟，并基于综合评价体系和 DoE 方法对消声器性能进行优化。

    2 计算机型

    本文研究对象为四缸、四冲程、1.5VCT 发动机，其目前应用于国内某自主品牌乘用车上。 原机主要技术参数见表 1 所列。

    3 原消声器结构及存在的问题

    在初始设计方案中，此款发动机的主、副消声器结构分别如图 1 和图 2 所示。

    通过发动机台架试验， 测得排气系统的声学特性和流动特性如图 3~图 5 所示。

    在尾管噪声的主观评价过程中，客户反映在发动机转速为 1500~3000r/min 范围内，尾管噪声偏大，希望在此范围内降低尾管噪声。 从图 3、图 4 中也可以看出， 此发动机转速范围内的尾管总噪声和 2 阶噪声在目标值之上；同时，由图 5 可知，整个系统的排气背压远低于设计限值。因此，考虑以适当增加系统背压为代价，降低尾管总噪声和 2 阶噪声来满足客户的要求。

    受开发日程和开发成本的限制， 计划在原设计方案的基础上， 采用模拟计算结合 DoE 的方法，对设计参数进行调整，以满足客户的需求。

    4 1.5VCT

    发动机及排气系统模型的建立及标定    通过对发动机及排气系统结构进行分析，应用GT-Power 软件建立发动机及排气系统模型。 发动机模型标定结果如图 6~图 10 所示。 从图中可以看出， 发动机性能模拟计算值与试验值之间基本吻合，误差均在±5%以内；尾管总噪声的模拟计算值和试验值的误差在±5%以内，尾管 2 阶噪声的计算值与试验值的误差在±10%以内， 且基本趋势相符合，表明所建立的发动机及排气系统模型能够准确反映实际发动机的流动特性和声学特性。

    5 基于DoE的消声器结构优化设计

    长久以来，在发动机研究领域一直使用“一次一个因素”的优化方法，但由于发动机性能往往由多个因素的综合作用所决定， 因此这种优化方式并不能实现真正的最优化[2]。 在消声器优化设计领域，传统的优化方法是在多种设计方案中进行比较分析，或者是针对一套方案的某一结构进行优化， 这样不仅无法找到最优化的设计方案，而且增加了开发成本。