仿真分析在規(guī)避路噪風(fēng)險中的應(yīng)用

邵立軍 李京福 鄂世國 喬鑫

（華晨汽車工程研究院）

隨著人們對汽車舒適性要求的不斷提高，NVH 性能變得越來越重要。路面噪聲是NVH 性能的重要評價內(nèi)容，主要集中在30～300 Hz 的低頻范圍，容易引起乘員的不適感，嚴(yán)重時甚至?xí)饜盒暮蛧I吐等現(xiàn)象[1]，嚴(yán)重影響乘坐舒適性及整車品質(zhì)。而路面激勵引起的振動和噪聲是汽車在行駛過程中不可避免的，因此采取仿真技術(shù)在設(shè)計初期階段對潛在風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測和規(guī)避，對縮短開發(fā)周期、降低研發(fā)成本和提高產(chǎn)品競爭力具有重要意義。

1 問題描述

對某SUV 數(shù)字樣車階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，建立該數(shù)字樣車帶內(nèi)飾車身和聲腔的模型，對其進(jìn)行聲學(xué)靈敏度（NTF）分析，得到車身與底盤接附點到車內(nèi)噪聲響應(yīng)點各條路徑的噪聲傳遞函數(shù)。由于該數(shù)字樣車處于開發(fā)早期階段，尚無工裝樣車，故借用同平臺現(xiàn)有標(biāo)桿車在粗糙路面60 km/h 定速工況下所測得的車身與底盤接附點處的激勵力，作為該數(shù)字樣車路面實際激勵噪聲分析的激勵源。在LMS Virtual.Lab 軟件中建立該數(shù)字樣車路面實際激勵噪聲分析模型，得到其右后排乘員內(nèi)耳處的噪聲響應(yīng)，如圖1 所示。該車路面實際激勵噪聲在54 Hz 左右，超過目標(biāo)值且高于同平臺現(xiàn)有標(biāo)桿車，存在較大路噪的風(fēng)險。

圖1 數(shù)字樣車與標(biāo)桿車右后排乘員內(nèi)耳處的噪聲響應(yīng)對比

2 問題分析

欲找出路面噪聲的主要影響因素，首先要分析對路面激勵傳遞起主要作用的車身與底盤接附點的動剛度特性，進(jìn)而求取接附點到人耳的噪聲傳遞函數(shù)；還要對路面噪聲傳遞路徑上的零部件進(jìn)行模態(tài)分析及聲腔模態(tài)分析等，找出路面噪聲的重要影響因素和主要貢獻(xiàn)量[2]。本案例中，該數(shù)字樣車與采集激勵力的標(biāo)桿車為同平臺打造，底盤及車身結(jié)構(gòu)具有極大的通用性和相似性，車身與底盤接附點局部結(jié)構(gòu)并無差異，因而將傳遞路徑分析、噪聲傳遞函數(shù)分析、聲腔模態(tài)和節(jié)點貢獻(xiàn)量作為重點分析對象。

2.1 傳遞路徑分析

根據(jù)傳遞路徑分析方法[3]，車內(nèi)噪聲總響應(yīng)與激勵力和傳遞函數(shù)的關(guān)系可表示為：

式中：R——車內(nèi)噪聲總響應(yīng)，Pa；

Fi——某一個激勵力，N；

Fn，t，i——該激勵力到響應(yīng)點的噪聲傳遞函數(shù)，Pa/N；

n——激勵力或噪聲傳遞函數(shù)的個數(shù)。

該數(shù)字樣車車身與底盤接附點共16 個，所以接附點到右后排乘員內(nèi)耳處的傳遞路徑共48 條，各路徑對右后排乘員內(nèi)耳響應(yīng)的貢獻(xiàn)量，如圖2 所示。從圖2 可見，在54 Hz 處后副車架（與車身柔性連接）左后安裝點Y 向和后副車架左前安裝點Z 向?qū)τ液笈懦藛T內(nèi)耳響應(yīng)的貢獻(xiàn)量最大。

圖2 各噪聲傳遞路徑對右后排乘員內(nèi)耳響應(yīng)的貢獻(xiàn)量

2.2 噪聲傳遞函數(shù)分析

后副車架左后安裝點Y 向和左前安裝點Z 向到右后排乘員內(nèi)耳的噪聲傳遞函數(shù)曲線，如圖3 所示。從圖3 可見，這2 條曲線在54 Hz 左右存在峰值，明顯超過目標(biāo)值且高于同平臺現(xiàn)有標(biāo)桿車。判定這2 條路徑下的噪聲傳遞函數(shù)對路面噪聲問題起到主要作用。

圖3 后副車架安裝點到右后排乘員內(nèi)耳的噪聲傳遞函數(shù)對比

2.3 聲腔模態(tài)分析

相比于同平臺現(xiàn)有標(biāo)桿車，該SUV 數(shù)字樣車在車身地板及上車身造型等方面有變化，駕駛室聲腔體積存在一定差異，所以有必要對其聲腔模態(tài)進(jìn)行仿真分析[4]。通過聲腔模態(tài)分析，得到其1 階模態(tài)頻率為52.83 Hz，振型為縱向伸縮，如圖4 所示。該模態(tài)頻率與路面噪聲問題和NTF 曲線峰值所在頻率相吻合，初步推斷路面噪聲問題是由于車身結(jié)構(gòu)振動模態(tài)與聲腔1 階模態(tài)耦合引起。

圖4 數(shù)字樣車聲腔1 階模態(tài)振型

2.4 節(jié)點貢獻(xiàn)量分析

傳遞路徑分析確定了引起路噪問題的主要路徑，但在該路徑下具體是車身的哪些板件起到了主要作用尚不明確，因此需要進(jìn)行節(jié)點貢獻(xiàn)量分析[5]。節(jié)點貢獻(xiàn)量分析是把聲腔內(nèi)的響應(yīng)分解為流固耦合面上的每個節(jié)點貢獻(xiàn)，因此可以根據(jù)耦合面上貢獻(xiàn)較大的位置找出車身結(jié)構(gòu)上對應(yīng)的板件。該數(shù)字樣車在流固耦合面上節(jié)點的貢獻(xiàn)量分布，如圖5 所示。圖6 示出數(shù)字樣車車身板件振動位移云圖。在問題頻率處對后副車架左前安裝點（圖6 中綠圈位置）Z 向到右后排乘員內(nèi)耳的噪聲傳遞函數(shù)進(jìn)行節(jié)點貢獻(xiàn)量分析，得到流固耦合面上貢獻(xiàn)較大的節(jié)點，如圖5 橙紅色區(qū)域所示，相應(yīng)的車身板件振動位移較大位置，如圖6 中橙紅色區(qū)域所示。

圖5 數(shù)字樣車流固耦合面上節(jié)點貢獻(xiàn)量分布

圖6 數(shù)字樣車車身板件振動位移云圖

3 優(yōu)化方案

通過上述分析可知，車身后地板受激勵振動與聲腔1 階模態(tài)耦合是問題的主要原因，因此需要采取措施對該地板進(jìn)行加強以抑制其振動。經(jīng)過多種方案比對和驗證，最終選定優(yōu)化方案為在車身后地板橫梁之間增加一縱向連接件，如圖7 所示。

圖7 車身后地板優(yōu)化方案示意圖

優(yōu)化后仿真分析結(jié)果相比原狀態(tài)有極大改善，優(yōu)化后后副車架左后安裝點Y 向和左前安裝點Z 向到右后排乘員內(nèi)耳這2 條路徑下的噪聲傳遞函數(shù)，如圖8所示。右后排乘員內(nèi)耳的路面實際激勵噪聲響應(yīng)，如圖9 所示。在項目開發(fā)后續(xù)階段中，該SUV 工裝樣車的實車測試表現(xiàn)良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的路面噪聲問題。

圖8 優(yōu)化后后副車架安裝點到右后排乘員內(nèi)耳的噪聲傳遞函數(shù)對比

圖9 車身地板優(yōu)化后右后排乘員內(nèi)耳處的噪聲響應(yīng)對比

4 結(jié)論

利用CAE 仿真分析手段，在數(shù)字樣車階段預(yù)測了某SUV 路面實際激勵噪聲的潛在風(fēng)險。通過傳遞路徑分析，確定了后副車架左后安裝點Y 向和左前安裝點Z 向到右后排乘員內(nèi)耳這2 條路徑對路面噪聲問題貢獻(xiàn)最大；通過聲學(xué)靈敏度分析，確定在問題頻率這2 條路徑下的噪聲傳遞函數(shù)較大是問題的主要原因；通過聲腔模態(tài)分析，判定該路噪問題是由于車身結(jié)構(gòu)振動與聲腔1 階模態(tài)耦合引起；通過節(jié)點貢獻(xiàn)量分析，查找出對噪聲響應(yīng)貢獻(xiàn)較大的板件，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。后續(xù)階段中該SUV 工裝樣車經(jīng)實際測試，路面噪聲表現(xiàn)良好，體現(xiàn)了仿真分析對風(fēng)險預(yù)測的重要性和對設(shè)計開發(fā)的指導(dǎo)意義。