基于DOE的油烟机壳体辐射噪声的优化设计

    对油烟机噪声的控制，主要集中在以下几个方面:

    1) 蜗壳的设计，错开蜗壳声腔共振频率和离心叶轮的主要声辐射频率，降低蜗壳声腔共振引起的辐射噪声［1，2］。

    2) 蜗舌各结构参数的设计，使之达到低噪声的最佳匹配［3 ～5］。

    3) 叶轮噪声的控制，包括电动机机械噪声、叶片翼面空气动力噪声和蜗壳外表面气流噪声的控制［6］。

    4) 风机系统噪声的控制，包括改善风机的气动性能、降低风机系统的机械噪声和控制电磁噪声等［7］。

    5) 在油烟机机内腔粘贴防振降噪材料，在排风烟管设计迷宫消音器［8］。

    以上降噪方法主要集中在对油烟机壳体内部各结构的噪声控制上，而很少有人考虑外部壳体对辐射噪声的影响。油烟机的风机系统与壳体紧密相连，如果壳体的结构设计不合理或者壳体刚性较差，风机系统的振动传递给壳体，当风机系统的振动频率范围与壳体的固有频率相等或相近时，将引起机体的共振，产生更大的辐射噪声。

    目前，有限元和边界元方法越来越多的应用到了噪声控制上［9 ～15］。例如: 基于 iSIGHT 对 Nastran的集成，对矩形平板结构的厚度分布进行优化，降低设计域点的峰值声压级［12］; 结合有限元及边界元法，利用 ANSYS 和 SYSNOISE 对柴油机油底壳的结构进行改进，降低其辐射噪声［13］; 利用有限元和边界元耦合的方法，对冰箱压缩机的壳体形状进行改进，降低壳体辐射噪声［14］; 利用 ANSYS 对轿车悬架系统的橡胶元件特性参数进行优化设计，降低车内单点噪声声压级［15］。

    基于以上思想，利用 HyperMesh 建立油烟机壳体的有限元模型，采集油烟机工作时风机与壳体连接处的振动信号并以此为激励施加到壳体上。利用Nastran 计算了壳体表面的质点振速，把算得的结果导入 Sysnoise 中并利用边界元方法求得壳体辐射的声功率和关心的四点处的声压级，利用优化软件iSIGHT-FD 对壳体厚度进行优化，使设计域各点的值达到最小，从而使油烟机壳体的辐射噪声最小。

    1 油烟机壳体模型的建立及验证

    1. 1 油烟机壳体的几何建模

    利用 Pro/Engineer 进行油烟机壳体的几何建模，模型如图 1 所示。此模型包含复合曲线 60 个，有理 B 样条曲线 308 个，有理 B 样条曲面 40 个，在参数曲面上的曲线 30 个，修剪的参数曲面 26 个。

    1. 2 油烟机壳体有限元模型的建立及验证

    利用美国Altair 公 司 的 CAE 软 件 Hy-perMesh8. 0 对导入的油烟机壳体模型进行几何清理和有限元网格划分。该壳体模型的最长边为893 mm，最短边为 3 mm，由于最长边和最短边长度相差太大，对不同的面进行有限元网格划分时所采用的单元尺寸不同。单元类型选择为 Mixed，划分的单元总数为4 370，节点总数为4 370，划分好的网格如图 2 所示。壳体材料为冷轧薄钢板 ST14，杨氏模量为 2. 1 × 105 / mm2，泊松比为 0. 3，质量密度7. 82 × 10－ 9mg / mm3。