針對某SUV車型內(nèi)飾車身加速噪聲的阻尼優(yōu)化分析

張群 陳嘉斌 莫承強(qiáng) 黃海路

【摘 要】汽車加速噪聲作為NVH的一個重要評價指標(biāo)，直接影響用戶的直觀感知，加速噪聲的控制已經(jīng)成為各大汽車廠家的生產(chǎn)控制難點及賣點。為提升某SUV車型的加速噪聲，對其前圍板、地板等進(jìn)行能量分析，并針對其能量分布排序進(jìn)行阻尼片布置分析優(yōu)化，從而達(dá)到優(yōu)化加速噪聲的目的。該方法首先采用HyperMesh作為網(wǎng)格的前處理建模，然后利用ACTRAN軟件進(jìn)行能量的分析及后處理提取，接著通過能量的分布排序診斷出高風(fēng)險區(qū)域，最后根據(jù)此區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行阻尼片的布置、材料、厚度等優(yōu)化，使該車身的加速噪聲得到優(yōu)化改善。

【關(guān)鍵詞】加速噪聲;能量分析;阻尼片優(yōu)化

【中圖分類號】U463.82 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）12-0057-04

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車已成為目前大眾日常出行的重要工具，隨之而來的是人們對于汽車的品質(zhì)的要求越來越高，在滿足外觀、動力等的標(biāo)配需求后，對于汽車的NVH性能要求也越來越高。NVH是噪聲（Noise）、振動（Vibration）、聲振粗糙度（Harshness）的統(tǒng)稱，是衡量乘坐舒適性的重要指標(biāo)[1]。為了在競爭激烈的汽車行業(yè)中更具優(yōu)勢，NVH性能的提升已經(jīng)成為各大汽車廠家必須考慮的問題。目前，國內(nèi)車企用于評價NVH的常規(guī)分析項中，一般包括模態(tài)、動剛度、噪聲傳遞函數(shù)、振動傳遞函數(shù)、整車路噪、整車加速噪聲等。其中，整車加速噪聲作為NVH性能的一個重要評價指標(biāo)，其性能的好壞直接影響用戶的主觀感受。但是由于底盤件的建模誤差，尤其是各種隔振襯套的剛度參數(shù)、阻尼系數(shù)、發(fā)動機(jī)激勵及輪胎建模等因素疊加，整車加速的對標(biāo)還不是很好，也為后續(xù)的加速優(yōu)化增加了難度。因此，為了能更方便地針對實車問題進(jìn)行優(yōu)化，可以縮減模型，去掉不確定因素，僅保留整個內(nèi)飾車身，再應(yīng)用實際采集的激勵，就可以對加速噪聲的優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)。各種阻尼材料的應(yīng)用，可以有效降低車身的高頻振動，打散集中的能量，從而降低車內(nèi)噪聲[2]。

本文以某SUV車型作為研究對象，建立帶內(nèi)飾的車身有限元模型及聲腔模型結(jié)合成為聲固耦合模型，通過分析駕駛員右耳的加速噪聲，基于加速噪聲的能量法，對振動較大、模態(tài)密度密集、能量集中的區(qū)域（前圍板、前后地板等）采用ACTRAN進(jìn)行能量分析、排序，進(jìn)一步確認(rèn)阻尼材料的布置位置、材料屬性、厚度等，并對影響因素進(jìn)行優(yōu)化整合，保持單一變量，得出阻尼材料位置、厚度、材料等的最優(yōu)解，達(dá)到加速噪聲性能提升的目的。

1 能量法基本研究

目前，在實際車型阻尼片布置中采用較多的、較成熟的方法主要有以下幾種：？譹？訛工程經(jīng)驗與測試;？譺？訛?zāi)B(tài)應(yīng)變能計算與評估;？譻？訛傳函計算與評估;？譼？訛基于統(tǒng)計能量法計算隔聲與評估。上述方法存在實施效率低、精度差、性價比低、考慮問題片面等問題，為了解決以上問題，本文將從另外一個方向探討阻尼片的布置，即以內(nèi)飾車身的加速噪聲作為評估目標(biāo)，既考慮了實際激勵，也比傳統(tǒng)應(yīng)變能法的分析模型全面，即基于有限元能量計算方法進(jìn)行阻尼片分析與優(yōu)化。基于加速噪聲的能量分析優(yōu)化基本思路如下：首先，采用HyperMesh對前圍板、地板等影響較大的薄鈑金件進(jìn)行切割（約200 mm）并重新命名，以便后續(xù)能量排序的時候能快速找到對應(yīng)板件。其次，利用ACTRAN進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與聲腔耦合，此過程比較復(fù)雜，主要是在ACERAN軟件中，不能直接把HyperMesh中的模型樹導(dǎo)進(jìn)來，需要重新把與聲腔耦合的結(jié)構(gòu)面一塊塊的根據(jù)部件名稱挑選出來進(jìn)行耦合，涉及的部件較多，故比較煩瑣。再次，耦合完畢之后，還需要對能量輻射輸出板件進(jìn)行選取，此過程也類似之前煩瑣的耦合操作，由于前圍、地板等進(jìn)行切割后的部件數(shù)量太多，所以需逐一選取上百個部件，后續(xù)能量的排序就是從此輸出板件中進(jìn)行排列。最后，把包含頻率、幅值、相位的實際激勵加載到相應(yīng)的發(fā)動機(jī)懸置點上，將激勵文件轉(zhuǎn)換為.txt格式，ACTRAN識別的激勵文件不同于HyperMesh的.csv格式，加載完畢后可以進(jìn)行提交，分析計算輸出前圍板、地板上的能量。后處理中需要從每個能量輸出部件的曲線中讀取出能量幅值，并記錄下來，再從加速、隔聲等對能量大小進(jìn)行交替排序，排查出能量靠前的區(qū)域，結(jié)合實際工藝圖及重量成本，即可確定阻尼片的最優(yōu)布置位置。換算不同材料（樹脂熱熔、樹脂磁性、瀝青熱熔等）、厚度（2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm等）參數(shù)，分別進(jìn)行加速噪聲分析，與初始無阻尼狀態(tài)的加速噪聲曲線對比，形成一個較優(yōu)的位置、厚度、材料方案。在有限元分析中，通過ACTRAN軟件實現(xiàn)能量的分布排序，利用各切分區(qū)域的能量分布，找出影響較大處。對關(guān)鍵部件（前隔板、地板）切割（如圖1所示）。

2 利用能量法優(yōu)化加速噪聲

2.1 有限元模型

以某車企SUV車型做為本文的分析原型，利用HyperMesh軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格建模。大板件的基本單元尺寸為10 mm×10 mm，對局部小部件進(jìn)行細(xì)化處理，但單元最小尺寸仍然不能小于3 mm，三角形單元控制在5%以內(nèi)。鈑金件所采用的屬性參數(shù)如下：彈性模量為2.1×105 MPa，密度為7.83×103 kg/m3，泊松比為0.3，不考慮受溫度的影響。車身鈑金件之間的連接采用Acm單元模擬焊點連接，RBE2單元模擬螺栓及燒焊連接，CBUSH單元模擬襯套及密封膠條連接;RBE3和集中質(zhì)量模擬車身內(nèi)外飾配重;需要注意的是，對于兩個實體之間的連接，為了讓自由度更加貼合實際，在用RBE2連接的時候，每個部件采用一個平面上的點自動拾取中心點的方式。采用四面流體單元建立聲腔模型，聲腔單元尺寸為40 m×40 mm，屬性密度參數(shù)為1.293 kg/m3，聲速為340 m/s。車身仿真模型建立完成之后，基于工程嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，一般需要對所建立模型進(jìn)行對標(biāo)驗證模型的可信度，通常是通過一階模態(tài)對比振型及頻率，若誤差小于5%，則可進(jìn)行后續(xù)的仿真分析及方案優(yōu)化;若誤差大于5%，則需要重新調(diào)整建模，一般是從剛度、重量、材料參數(shù)等信息重新核實建模，確保模型準(zhǔn)確性。本文由于涉及前圍板、地板的相關(guān)能量分析，因此不僅需要保證整體白車身模型的有效性，還需要對地板、前圍板等局部板件進(jìn)行對標(biāo)，確保滿足相關(guān)模態(tài)仿真與測試對標(biāo)誤差在5%以內(nèi)的精度要求。

2.2 模態(tài)仿真結(jié)果及測試驗證

車身主要關(guān)注模態(tài)的振型及固有頻率見表1。

從對比結(jié)果來看（見表1），仿真誤差率基本低于標(biāo)準(zhǔn)值5%，仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合度非常高，證明建模方法正確，所建有限元模型可用于后續(xù)分析優(yōu)化工作。

2.3 初始無阻尼加速噪聲分析工況

在HyperMesh軟件中，初始自由無任何阻尼（包括板件材料阻尼）模型狀態(tài)下，在動力系統(tǒng)與車身的連接位置，即發(fā)動機(jī)左、右、后懸置等處分別施加X、Y、Z 3個方向的測試激勵，激勵文件需包含頻率、幅值、相位，格式為.csv。激勵文件加載完畢后，一般以前排駕駛員右耳附近作為響應(yīng)位置，如果測試人員能提供試驗時貼的傳感器位置坐標(biāo)，那就會更貼合實際。響應(yīng)點的輸出可以是速度、加速度、位移等，本文選擇的是位移輸出，后續(xù)再根據(jù)相關(guān)后處理公式或者插件轉(zhuǎn)換成聲壓。運(yùn)用廣義頻率響應(yīng)計算法進(jìn)行分析計算初始加速噪聲，得到駕駛員右耳附近的聲壓級響應(yīng)[3]。其中，車內(nèi)噪聲參考點根據(jù)《汽車內(nèi)噪聲測量方法》GB/T 18697—2002的規(guī)定選取。由聲壓級計算公式即可轉(zhuǎn)換為駕駛員耳旁噪聲聲壓級響應(yīng)SPL：

SPL=20lg（p/pm）

上式中：p為乘客耳旁聲壓值，pm為參考聲壓值，取2.0×10-5 Pa，為了讓噪聲分析更能反映出人耳的聽覺感受，仿真結(jié)果更加接近實際，往往需要對噪聲分析的結(jié)果進(jìn)行A計權(quán)轉(zhuǎn)換[4]。

2.4 加速噪聲能量分析

對關(guān)鍵部件（前隔板、地板）分析加速工況下的能量分布后，讀取能量結(jié)果，并對相關(guān)板件的能量進(jìn)行排序。

3 阻尼優(yōu)化方案

3.1 阻尼位置優(yōu)化方案

從能量分析中得知其能量大小，現(xiàn)對能量排序靠前（即表示能力較大）的區(qū)域布置阻尼片，從性能及重量的角度考慮，地板最優(yōu)位置方案如圖2、圖3所示（灰色、灰白色為無阻尼區(qū)域），對應(yīng)的分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

從曲線結(jié)果可以得出，不同的阻尼片位置及數(shù)量對加速噪聲的影響有差異。通過分析可知，地板為30片阻尼片位置優(yōu)化方案噪聲最低，前圍板3片阻尼片位置為最優(yōu)方案。

3.2 阻尼厚度優(yōu)化方案

阻尼片的厚度決定了阻尼層的剛度矩陣大小。因此，改變阻尼片厚度，可以有效地調(diào)節(jié)阻尼片的損耗因子，進(jìn)而影響噪聲性能。通常，厚度越大，起的作用越大，但是到了一個值之后，往后的性能基本是維持在一個較平的趨勢，而成本卻會上升。故結(jié)合性能及成本的綜合考慮，厚度一般不超過5 mm。在最優(yōu)阻尼位置模型基礎(chǔ)上分別設(shè)置1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm等厚度的阻尼片，分析其對加速噪聲的影響，得到結(jié)果如圖6、圖7所示。

從分析結(jié)果可知，布置厚度為3.5 mm的阻尼片時，加速噪聲性能最優(yōu)，駕駛員人耳降低約2 dB，副駕駛?cè)硕恢媒档图s3 dB，后排人耳位置降低約3 dB。

3.3 阻尼材料優(yōu)化方案

不同的阻尼片材料，阻尼損耗因子參數(shù)特性是不一樣的，通過采用不同的阻尼材料，噪聲性能的效果也會有差異。對此，分析驗證了4種常見的不同材料方案，分別為瀝青熱熔、樹脂熱熔、樹脂磁性、水性阻尼。分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

從分析結(jié)果可以看出，不同材料對加速噪聲的影響不同。其中，地板最優(yōu)材料為水溶性阻尼，前圍板最優(yōu)材料為樹脂磁性材料。駕駛員人耳位置降低約1 dB，副駕人耳位置降低約2.4 dB，后排人耳位置降低約1.3 dB。

4 結(jié)論

本文利用內(nèi)飾車身加速工況下的能量法對前圍板、地板等大薄鈑金件進(jìn)行了阻尼片的布置優(yōu)化，降低了車內(nèi)加速噪聲，并得到如下結(jié)論。

（1）通過模態(tài)仿真結(jié)果與測試結(jié)果的對比分析，確定有限元模型的有效性，故在此模型上進(jìn)行的優(yōu)化分析結(jié)果可信。

（2）利用加速噪聲能量法可對關(guān)鍵部件進(jìn)行切割能量輸出、大小排序，找到能量較大的區(qū)域，即前地板左前、右前、左后、右后、備胎，前圍板右上、右下等區(qū)域，從而確認(rèn)阻尼片的最優(yōu)布置位置;再通過分析不同厚度、不同材料的阻尼片，進(jìn)一步改善加速噪聲性能。

（3）利用能量法對振動較大、輻射噪聲較明顯的大鈑金件鋪設(shè)阻尼片后，前圍板的優(yōu)化方案中，噪聲平均降低3 dB;地板的優(yōu)化方案中，噪聲平均降低1.4 dB，兩種措施結(jié)合對加速噪聲有較明顯的改善，說明該加速工況下的能量法對降低車內(nèi)加速噪聲可行，為解決車內(nèi)加速噪聲提供了一種新的思路。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王立公.NVH——汽車工業(yè)的新戰(zhàn)場[J].世界汽車，1995（5）：24-25.

[2]付景順，馬光陽，王光輝.基于模態(tài)應(yīng)變能的汽車地板自由阻尼材料布置[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2018.

[3]馬峰.基于NVH Director的車身節(jié)點貢獻(xiàn)量分析[A].澳汰爾工程軟件（上海）有限公司.2015Altair技術(shù)大會論文集[C].上海：澳汰爾工程軟件（上海）有限公司，2015：381-384.

[4]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.