基于阻尼層多目標(biāo)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化的車內(nèi)噪聲控制

張 宇 ，曹友強(qiáng)

(1. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，重慶401331； 2. 吉利汽車研究總院，浙江 寧波315336)

0 引 言

車輛行駛狀態(tài)下車內(nèi)噪聲水平是衡量NVH性能的重要指標(biāo)，亦是影響消費(fèi)者購(gòu)車行為的主要因素之一。合理使用阻尼材料可提高車身壁板的吸隔聲性能，從而降低車內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)噪聲[1]。因此，如何在車身壁板上設(shè)計(jì)合理的阻尼材料便成為當(dāng)前NVH技術(shù)研究的焦點(diǎn)之一。

傳統(tǒng)的方法是基于車身結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)變能和板件貢獻(xiàn)量來(lái)確定阻尼敷設(shè)位置[2-4]。模態(tài)應(yīng)變能云圖取值范圍不同會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的阻尼材料布局各異。這往往給工程化實(shí)施帶來(lái)困擾。但是近年來(lái)隨著動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的發(fā)展，為車身阻尼材料布局優(yōu)化提供了新的方法[5-6]。

不少文獻(xiàn)對(duì)車身局部阻尼材料的減振降噪性能進(jìn)行了研究。例如，文獻(xiàn)[7]研究了地板阻尼涂層對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，并使車內(nèi)加速噪聲峰值下降了2～4 dB(A)；文獻(xiàn)[8]研究了頂蓋自黏型約束阻尼材料布置優(yōu)化形式，使車內(nèi)噪聲下降了1.0～2.2 dB(A)；文獻(xiàn)[9]采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)地板熱熔型自由阻尼材料布置進(jìn)行優(yōu)化，使車內(nèi)噪聲下降了2.3 dB(A)。但是鮮有關(guān)于車身阻尼材料總體布局研究的文獻(xiàn)。

針對(duì)某車型車內(nèi)噪聲問(wèn)題，以壁板貢獻(xiàn)度和模態(tài)貢獻(xiàn)度為參考指標(biāo)，采用多目標(biāo)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)整車阻尼材料布局進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以期達(dá)到改善車內(nèi)噪聲性能的目的，并為整車阻尼材料總體布置提供一種有效的設(shè)計(jì)方法。

1 復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)基本理論

通常為達(dá)到減振降噪的目的，以車身不同區(qū)域壁板作為基板，敷設(shè)面積不等、種類各異的阻尼材料，從而構(gòu)成復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)，并采用復(fù)常數(shù)模量描述其黏彈性材料的本構(gòu)關(guān)系，復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自由振動(dòng)方程為

[M]{ü}+[K′+iK″]{u}=0

(1)

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[K′+iK″]為復(fù)剛度矩陣。

設(shè)式(1)的特解為

{u}={Ψ}eλt

(2)

則將式(2)代入式(1)得：

(λ2[M]+[K′+iK″]){Ψ}=0

(3)

求特征值方程：

|λ2[M]+[K′+iK″]|=0

(4)

可得復(fù)特征值：

λi=α+iβ

(5)

式中：α為解的實(shí)部；β為解的虛部。

進(jìn)而可以得到復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)第i階模態(tài)的固有頻率fi和模態(tài)阻尼損耗因子ηi：

(6)

(7)

模態(tài)阻尼損耗因子ηi一般為阻尼比的2倍。模態(tài)損耗因子描述的是系統(tǒng)能量的衰減，阻尼比描述的是振動(dòng)幅值的衰減[10]。

因此，為使復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)具有最佳的阻尼比和模態(tài)損耗因子，可選取降低基板振動(dòng)幅值為優(yōu)化目標(biāo)，借助拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)獲得阻尼材料最佳布局。

2 車內(nèi)噪聲仿真分析

車輛行駛過(guò)程中，路面、動(dòng)力總成系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等外部激勵(lì)源將振動(dòng)傳遞至車身結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致車身壁板振動(dòng)從而產(chǎn)生輻射噪聲。基于上述機(jī)理，聲固耦合仿真分析技術(shù)可作為模擬車內(nèi)噪聲性能的一種有效手段。

2.1 車內(nèi)噪聲仿真計(jì)算

以某車型為研究對(duì)象，運(yùn)用HyperWorks有限元仿真軟件，建立由白車身、開(kāi)閉件、玻璃和聲腔構(gòu)成的聲固耦合仿真分析模型。其中，車身焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)采用ACM單元模擬；車身鈑金結(jié)構(gòu)采用單元尺寸為10 mm的板殼單元離散；車內(nèi)聲腔結(jié)構(gòu)采用單元尺寸為60 mm的流體單元離散。最終構(gòu)成的聲固耦合仿真分析模型包含55.2萬(wàn)個(gè)固體單元，18.7萬(wàn)個(gè)流體單元。為模擬車輛勻速行駛狀態(tài)，在前、后懸架安裝點(diǎn)施加20～200 Hz的單位激振力(見(jiàn)圖1)。

圖1 某車型聲固耦合仿真分析模型Fig. 1 Acoustic-structure coupling simulation analysis model for acertain vehicle

選擇駕駛員右耳位置(DR測(cè)點(diǎn))和后排座椅中間位置(RM測(cè)點(diǎn))作為車內(nèi)噪聲響應(yīng)點(diǎn)。計(jì)算獲得DR測(cè)點(diǎn)和RM測(cè)點(diǎn)噪聲響應(yīng)見(jiàn)圖2?？梢?jiàn)該車型DR測(cè)點(diǎn)和RM測(cè)點(diǎn)在118 Hz均存在明顯異常噪聲峰值。這類低頻噪聲極易導(dǎo)致駕乘人員乘坐舒適性惡化，必須采取措施加以改善。

圖2 車內(nèi)噪聲仿真計(jì)算結(jié)果Fig. 2 In-car noise simulation calculation results

2.2 壁板貢獻(xiàn)度分析

20～200 Hz頻段的車內(nèi)低頻噪聲主要是由車身壁板振動(dòng)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲，車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)處的聲壓可以認(rèn)為是各板件振動(dòng)引起的聲壓疊加。對(duì)構(gòu)成車室聲腔的壁板進(jìn)行貢獻(xiàn)度分析，可以獲取各壁板對(duì)關(guān)注噪聲頻率的影響程度，從而便于確定振動(dòng)噪聲源位置。

為找出導(dǎo)致車內(nèi)噪聲異常峰值的壁板，先分別以DR測(cè)點(diǎn)和RM測(cè)點(diǎn)118 Hz噪聲峰值為對(duì)象，計(jì)算構(gòu)成車室聲腔主要大面積壁板的噪聲貢獻(xiàn)度，再將兩測(cè)點(diǎn)的壁板噪聲貢獻(xiàn)。

貢獻(xiàn)度進(jìn)行加權(quán)求和，得到計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)，前圍板、前車門(mén)內(nèi)板和后地板對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)度遠(yuǎn)大于其他壁板。同時(shí)，前門(mén)內(nèi)板對(duì)DR測(cè)點(diǎn)異常噪聲峰值貢獻(xiàn)量最大，后地板和前圍板對(duì)RM測(cè)點(diǎn)異常噪聲峰值貢獻(xiàn)量最大。因此，為有效、精準(zhǔn)地改善車內(nèi)噪聲性能，應(yīng)在上述車身壁板合理的敷設(shè)阻尼材料。

表1 車身壁板貢獻(xiàn)度Table 1 Contribution of body panels %

2.3 模態(tài)貢獻(xiàn)度分析

模態(tài)貢獻(xiàn)度能反映系統(tǒng)每階結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)車內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)的參與量。為了識(shí)別對(duì)車內(nèi)異常噪聲峰值貢獻(xiàn)度最大的結(jié)構(gòu)模態(tài)階次，分別針對(duì)DR測(cè)點(diǎn)和RM測(cè)點(diǎn)在118 Hz處的噪聲峰值進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)貢獻(xiàn)度分析(見(jiàn)圖3)。

圖3 車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模態(tài)貢獻(xiàn)度Fig. 3 Mode contribution of noise measurement points in car

由圖3可知，對(duì)DR測(cè)點(diǎn)118 Hz噪聲峰值模態(tài)貢獻(xiàn)度較大的模態(tài)階次為94階、151階和142階，對(duì)RM測(cè)點(diǎn)118 Hz噪聲峰值模態(tài)貢獻(xiàn)度較大的模態(tài)階次為94階、107階、102階和82階。

3 車身阻尼材料優(yōu)化設(shè)計(jì)

為充分利用阻尼材料的減振降噪性能來(lái)改善車內(nèi)噪聲水平，需要對(duì)車身阻尼材料布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。而拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)通過(guò)在給定設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋求最佳的結(jié)構(gòu)分布形式，來(lái)達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。這為尋求車身阻尼材料的最佳布局提供了一種便捷的手段。

3.1 阻尼材料拓?fù)鋬?yōu)化模型

利用多目標(biāo)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對(duì)車身阻尼材料總體布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)盡量少用材料且達(dá)到改善車內(nèi)噪聲的目的。為此，建立的多目標(biāo)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

(6)

3.2 阻尼材料設(shè)計(jì)

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，通過(guò)壁板貢獻(xiàn)度分析和模態(tài)貢獻(xiàn)度分析結(jié)果，計(jì)算得到敏感車身壁板在主要貢獻(xiàn)模態(tài)階次的綜合模態(tài)振型應(yīng)變能見(jiàn)圖4，綜合模態(tài)應(yīng)變能突出區(qū)域見(jiàn)圖4中的A～F點(diǎn)。

圖4 車身敏感壁板綜合模態(tài)應(yīng)變能Fig. 4 Comprehensive modal strain energy of car sensitive panel

為建立合理的拓?fù)鋬?yōu)化模型，結(jié)合車身壁板幾何結(jié)構(gòu)和阻尼材料敷設(shè)工藝要求，首先在前門(mén)內(nèi)板、前圍板和后地板敷設(shè)阻尼材料初始布局(見(jiàn)圖5中白色線框區(qū)域)，并分別選取自黏型約束阻尼材料、自黏型自由阻尼材料和熱熔型自由阻尼材料。各類型阻尼材料性能參數(shù)見(jiàn)表2。

根據(jù)式(6)提出的拓?fù)鋬?yōu)化方法，拾取圖4中綜合模態(tài)應(yīng)變能突出的A-F點(diǎn)為關(guān)鍵點(diǎn)，分別計(jì)算求得各關(guān)鍵點(diǎn)的法向頻響位移最大幅值以及加權(quán)系數(shù)αi，從而構(gòu)建多目標(biāo)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)。隨后，運(yùn)用HyperWorks軟件平臺(tái)中的Optistruct軟件，計(jì)算獲取車身阻尼材料單元密度云圖，見(jiàn)圖5。

表2 阻尼材料性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of damping material

圖5 車身敏感壁板阻尼層單元密度云圖Fig. 5 Cell density nephogram of damping layer of carsensitive panel

由圖4、圖5車身敏感壁板的綜合模態(tài)應(yīng)變能云圖和阻尼層單元密度云圖，分別采用在車身壁板模態(tài)應(yīng)變明顯區(qū)域敷設(shè)阻尼材料的方法和筆者提出的多目標(biāo)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)車身敏感壁板阻尼層布局見(jiàn)圖6。

計(jì)算求得兩種車身阻尼材料布局對(duì)車內(nèi)噪聲影響效果見(jiàn)圖7，車內(nèi)118 Hz處異常噪聲峰值大小見(jiàn)表3。

表3 118 Hz處車內(nèi)噪聲峰值Table 3 The peak value of noise in car at 118 Hz dB

圖6 兩種阻尼設(shè)計(jì)方法效果對(duì)比Fig. 6 Comparison of two damping design methods

圖7 車內(nèi)噪聲改善效果Fig. 7 Interior noise improvement effect

通過(guò)車內(nèi)噪聲計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，兩種車身壁板阻尼材料設(shè)計(jì)方案均使118 Hz處車內(nèi)異常噪聲峰值得到明顯削弱。方案一使前、后排噪聲測(cè)點(diǎn)在118 Hz處異常噪聲峰值降低約4.5 dB，方案二使前、后排噪聲測(cè)點(diǎn)在118 Hz處異常噪聲峰值降低約6.6 dB?？梢?jiàn)，方案二較方案一對(duì)車內(nèi)異常噪聲峰值控制具有更好的效果。

3.3 實(shí)車性能驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述阻尼材料設(shè)計(jì)方案對(duì)車內(nèi)勻速噪聲改善效果，開(kāi)展實(shí)車100 km/h勻速工況車內(nèi)噪聲測(cè)試。在駕駛員右耳位置(DR測(cè)點(diǎn))和后排座椅中間位置(RM測(cè)點(diǎn))布置麥克風(fēng)，通過(guò)LMS噪聲測(cè)試系統(tǒng)采集到實(shí)車100 km/h勻速工況噪聲數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。

圖8 車內(nèi)噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig. 8 Measured data of noise in car

通過(guò)100 km/h勻速狀態(tài)下，車內(nèi)噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，方案一使前排噪聲降低0.90 dB(A)，但后排噪聲卻升高0.6 5 dB(A)。而方案二使前排噪聲降低1.77 dB(A)、后排噪聲降低0.83 dB(A)。由此表明筆者提出的基于多目標(biāo)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的阻尼材料設(shè)計(jì)方法對(duì)車內(nèi)勻速噪聲改善效果更佳。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)某車型勻速噪聲異常峰值控制，采用有限元仿真技術(shù)，根據(jù)車身壁板模態(tài)應(yīng)變能分布和多目標(biāo)動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)了兩種阻尼材料設(shè)計(jì)方案。經(jīng)仿真計(jì)算和實(shí)車測(cè)試結(jié)果表明，后者減振降噪效果更佳。

提出的阻尼材料設(shè)計(jì)方法充分考慮車身壁板與車內(nèi)噪聲的關(guān)聯(lián)程度，獲得的優(yōu)化方案清晰，工程實(shí)施便捷，且具有良好的優(yōu)化效果，可為同類車型車身阻尼材料總體布局設(shè)計(jì)提供思路借鑒和方案參考。