论文部分内容阅读
【摘 要】汽车加速噪声作为NVH的一个重要评价指标，直接影响用户的直观感知，加速噪声的控制已经成为各大汽车厂家的生产控制难点及卖点。为提升某SUV车型的加速噪声，对其前围板、地板等进行能量分析，并针对其能量分布排序进行阻尼片布置分析优化，从而达到优化加速噪声的目的。该方法首先采用HyperMesh作为网格的前处理建模，然后利用ACTRAN软件进行能量的分析及后处理提取，接着通过能量的分布排序诊断出高风险区域，最后根据此区域对其进行阻尼片的布置、材料、厚度等优化，使该车身的加速噪声得到优化改善。
【关键词】加速噪声;能量分析;阻尼片优化
【中图分类号】U463.82 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）12-0057-04
0 引言
随着汽车工业的快速发展，汽车已成为目前大众日常出行的重要工具，随之而来的是人们对于汽车的品质的要求越来越高，在满足外观、动力等的标配需求后，对于汽车的NVH性能要求也越来越高。NVH是噪声（Noise）、振动（Vibration）、声振粗糙度（Harshness）的统称，是衡量乘坐舒适性的重要指标[1]。为了在竞争激烈的汽车行业中更具优势，NVH性能的提升已经成为各大汽车厂家必须考虑的问题。目前，国内车企用于评价NVH的常规分析项中，一般包括模态、动刚度、噪声传递函数、振动传递函数、整车路噪、整车加速噪声等。其中，整车加速噪声作为NVH性能的一个重要评价指标，其性能的好坏直接影响用户的主观感受。但是由于底盘件的建模误差，尤其是各种隔振衬套的刚度参数、阻尼系数、发动机激励及轮胎建模等因素叠加，整车加速的对标还不是很好，也为后续的加速优化增加了难度。因此，为了能更方便地针对实车问题进行优化，可以缩减模型，去掉不确定因素，仅保留整个内饰车身，再应用实际采集的激励，就可以对加速噪声的优化提供一定的指导。各种阻尼材料的应用，可以有效降低车身的高频振动，打散集中的能量，从而降低车内噪声[2]。
本文以某SUV车型作为研究对象，建立带内饰的车身有限元模型及声腔模型结合成为声固耦合模型，通过分析驾驶员右耳的加速噪声，基于加速噪声的能量法，对振动较大、模态密度密集、能量集中的区域（前围板、前后地板等）采用ACTRAN进行能量分析、排序，进一步确认阻尼材料的布置位置、材料属性、厚度等，并对影响因素进行优化整合，保持单一变量，得出阻尼材料位置、厚度、材料等的最优解，达到加速噪声性能提升的目的。
1 能量法基本研究
目前，在实际车型阻尼片布置中采用较多的、较成熟的方法主要有以下几种：？譹？訛工程经验与测试;？譺？訛模态应变能计算与评估;？譻？訛传函计算与评估;？譼？訛基于统计能量法计算隔声与评估。上述方法存在实施效率低、精度差、性价比低、考虑问题片面等问题，为了解决以上问题，本文将从另外一个方向探讨阻尼片的布置，即以内饰车身的加速噪声作为评估目标，既考虑了实际激励，也比传统应变能法的分析模型全面，即基于有限元能量计算方法进行阻尼片分析与优化。基于加速噪声的能量分析优化基本思路如下：首先，采用HyperMesh对前围板、地板等影响较大的薄钣金件进行切割（约200 mm）并重新命名，以便后续能量排序的时候能快速找到对应板件。其次，利用ACTRAN进行结构网格与声腔耦合，此过程比较复杂，主要是在ACERAN软件中，不能直接把HyperMesh中的模型树导进来，需要重新把与声腔耦合的结构面一块块的根据部件名称挑选出来进行耦合，涉及的部件较多，故比较烦琐。再次，耦合完毕之后，还需要对能量辐射輸出板件进行选取，此过程也类似之前烦琐的耦合操作，由于前围、地板等进行切割后的部件数量太多，所以需逐一选取上百个部件，后续能量的排序就是从此输出板件中进行排列。最后，把包含频率、幅值、相位的实际激励加载到相应的发动机悬置点上，将激励文件转换为.txt格式，ACTRAN识别的激励文件不同于HyperMesh的.csv格式，加载完毕后可以进行提交，分析计算输出前围板、地板上的能量。后处理中需要从每个能量输出部件的曲线中读取出能量幅值，并记录下来，再从加速、隔声等对能量大小进行交替排序，排查出能量靠前的区域，结合实际工艺图及重量成本，即可确定阻尼片的最优布置位置。换算不同材料（树脂热熔、树脂磁性、沥青热熔等）、厚度（2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm等）参数，分别进行加速噪声分析，与初始无阻尼状态的加速噪声曲线对比，形成一个较优的位置、厚度、材料方案。在有限元分析中，通过ACTRAN软件实现能量的分布排序，利用各切分区域的能量分布，找出影响较大处。对关键部件（前隔板、地板）切割（如图1所示）。
2 利用能量法优化加速噪声
2.1 有限元模型
以某车企SUV车型做为本文的分析原型，利用HyperMesh软件进行有限元网格建模。大板件的基本单元尺寸为10 mm×10 mm，对局部小部件进行细化处理，但单元最小尺寸仍然不能小于3 mm，三角形单元控制在5%以内。钣金件所采用的属性参数如下：弹性模量为2.1×105 MPa，密度为7.83×103 kg/m3，泊松比为0.3，不考虑受温度的影响。车身钣金件之间的连接采用Acm单元模拟焊点连接，RBE2单元模拟螺栓及烧焊连接，CBUSH单元模拟衬套及密封胶条连接;RBE3和集中质量模拟车身内外饰配重;需要注意的是，对于两个实体之间的连接，为了让自由度更加贴合实际，在用RBE2连接的时候，每个部件采用一个平面上的点自动拾取中心点的方式。采用四面流体单元建立声腔模型，声腔单元尺寸为40 m×40 mm，属性密度参数为1.293 kg/m3，声速为340 m/s。车身仿真模型建立完成之后，基于工程严谨的态度，一般需要对所建立模型进行对标验证模型的可信度，通常是通过一阶模态对比振型及频率，若误差小于5%，则可进行后续的仿真分析及方案优化;若误差大于5%，则需要重新调整建模，一般是从刚度、重量、材料参数等信息重新核实建模，确保模型准确性。本文由于涉及前围板、地板的相关能量分析，因此不仅需要保证整体白车身模型的有效性，还需要对地板、前围板等局部板件进行对标，确保满足相关模态仿真与测试对标误差在5%以内的精度要求。 2.2 模态仿真结果及测试验证
车身主要关注模态的振型及固有频率见表1。
从对比结果来看（见表1），仿真误差率基本低于标准值5%，仿真结果与测试结果吻合度非常高，证明建模方法正确，所建有限元模型可用于后续分析优化工作。
2.3 初始无阻尼加速噪声分析工况
在HyperMesh软件中，初始自由无任何阻尼（包括板件材料阻尼）模型状态下，在动力系统与车身的连接位置，即发动机左、右、后悬置等处分别施加X、Y、Z 3个方向的测试激励，激励文件需包含频率、幅值、相位，格式为.csv。激励文件加载完毕后，一般以前排驾驶员右耳附近作为响应位置，如果测试人员能提供试验时贴的传感器位置坐标，那就会更贴合实际。响应点的输出可以是速度、加速度、位移等，本文选择的是位移输出，后续再根据相关后处理公式或者插件转换成声压。运用广义频率响应计算法进行分析计算初始加速噪声，得到驾驶员右耳附近的声压级响应[3]。其中，车内噪声参考点根据《汽车内噪声测量方法》GB/T 18697—2002的规定选取。由声压级计算公式即可转换为驾驶员耳旁噪声声压级响应SPL：
SPL=20lg（p/pm）
上式中：p为乘客耳旁声压值，pm为参考声压值，取2.0×10-5 Pa，为了让噪声分析更能反映出人耳的听觉感受，仿真结果更加接近实际，往往需要对噪声分析的结果进行A计权转换[4]。
2.4 加速噪声能量分析
对关键部件（前隔板、地板）分析加速工况下的能量分布后，读取能量结果，并对相关板件的能量进行排序。
3 阻尼优化方案
3.1 阻尼位置优化方案
从能量分析中得知其能量大小，现对能量排序靠前（即表示能力较大）的区域布置阻尼片，从性能及重量的角度考虑，地板最优位置方案如图2、图3所示（灰色、灰白色为无阻尼区域），对应的分析结果如图4、图5所示。
从曲线结果可以得出，不同的阻尼片位置及数量对加速噪声的影响有差异。通过分析可知，地板为30片阻尼片位置优化方案噪声最低，前围板3片阻尼片位置为最优方案。
3.2 阻尼厚度优化方案
阻尼片的厚度决定了阻尼层的刚度矩阵大小。因此，改变阻尼片厚度，可以有效地调节阻尼片的损耗因子，进而影响噪声性能。通常，厚度越大，起的作用越大，但是到了一个值之后，往后的性能基本是维持在一个较平的趋势，而成本却会上升。故结合性能及成本的综合考虑，厚度一般不超过5 mm。在最优阻尼位置模型基础上分别设置1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm等厚度的阻尼片，分析其对加速噪声的影响，得到结果如图6、图7所示。
从分析结果可知，布置厚度为3.5 mm的阻尼片时，加速噪声性能最优，驾驶员人耳降低约2 dB，副驾驶人耳位置降低约3 dB，后排人耳位置降低约3 dB。
3.3 阻尼材料优化方案
不同的阻尼片材料，阻尼損耗因子参数特性是不一样的，通过采用不同的阻尼材料，噪声性能的效果也会有差异。对此，分析验证了4种常见的不同材料方案，分别为沥青热熔、树脂热熔、树脂磁性、水性阻尼。分析结果如图8、图9所示。
从分析结果可以看出，不同材料对加速噪声的影响不同。其中，地板最优材料为水溶性阻尼，前围板最优材料为树脂磁性材料。驾驶员人耳位置降低约1 dB，副驾人耳位置降低约2.4 dB，后排人耳位置降低约1.3 dB。
4 结论
本文利用内饰车身加速工况下的能量法对前围板、地板等大薄钣金件进行了阻尼片的布置优化，降低了车内加速噪声，并得到如下结论。
（1）通过模态仿真结果与测试结果的对比分析，确定有限元模型的有效性，故在此模型上进行的优化分析结果可信。
（2）利用加速噪声能量法可对关键部件进行切割能量输出、大小排序，找到能量较大的区域，即前地板左前、右前、左后、右后、备胎，前围板右上、右下等区域，从而确认阻尼片的最优布置位置;再通过分析不同厚度、不同材料的阻尼片，进一步改善加速噪声性能。
（3）利用能量法对振动较大、辐射噪声较明显的大钣金件铺设阻尼片后，前围板的优化方案中，噪声平均降低3 dB;地板的优化方案中，噪声平均降低1.4 dB，两种措施结合对加速噪声有较明显的改善，说明该加速工况下的能量法对降低车内加速噪声可行，为解决车内加速噪声提供了一种新的思路。
参 考 文 献
[1]王立公.NVH——汽车工业的新战场[J].世界汽车，1995（5）：24-25.
[2]付景顺，马光阳，王光辉.基于模态应变能的汽车地板自由阻尼材料布置[D].沈阳：沈阳工业大学，2018.
[3]马峰.基于NVH Director的车身节点贡献量分析[A].澳汰尔工程软件（上海）有限公司.2015Altair技术大会论文集[C].上海：澳汰尔工程软件（上海）有限公司，2015：381-384.
[4]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动[M].北京：北京理工大学出版社，2006.
【关键词】加速噪声;能量分析;阻尼片优化
【中图分类号】U463.82 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）12-0057-04
0 引言
随着汽车工业的快速发展，汽车已成为目前大众日常出行的重要工具，随之而来的是人们对于汽车的品质的要求越来越高，在满足外观、动力等的标配需求后，对于汽车的NVH性能要求也越来越高。NVH是噪声（Noise）、振动（Vibration）、声振粗糙度（Harshness）的统称，是衡量乘坐舒适性的重要指标[1]。为了在竞争激烈的汽车行业中更具优势，NVH性能的提升已经成为各大汽车厂家必须考虑的问题。目前，国内车企用于评价NVH的常规分析项中，一般包括模态、动刚度、噪声传递函数、振动传递函数、整车路噪、整车加速噪声等。其中，整车加速噪声作为NVH性能的一个重要评价指标，其性能的好坏直接影响用户的主观感受。但是由于底盘件的建模误差，尤其是各种隔振衬套的刚度参数、阻尼系数、发动机激励及轮胎建模等因素叠加，整车加速的对标还不是很好，也为后续的加速优化增加了难度。因此，为了能更方便地针对实车问题进行优化，可以缩减模型，去掉不确定因素，仅保留整个内饰车身，再应用实际采集的激励，就可以对加速噪声的优化提供一定的指导。各种阻尼材料的应用，可以有效降低车身的高频振动，打散集中的能量，从而降低车内噪声[2]。
本文以某SUV车型作为研究对象，建立带内饰的车身有限元模型及声腔模型结合成为声固耦合模型，通过分析驾驶员右耳的加速噪声，基于加速噪声的能量法，对振动较大、模态密度密集、能量集中的区域（前围板、前后地板等）采用ACTRAN进行能量分析、排序，进一步确认阻尼材料的布置位置、材料属性、厚度等，并对影响因素进行优化整合，保持单一变量，得出阻尼材料位置、厚度、材料等的最优解，达到加速噪声性能提升的目的。
1 能量法基本研究
目前，在实际车型阻尼片布置中采用较多的、较成熟的方法主要有以下几种：？譹？訛工程经验与测试;？譺？訛模态应变能计算与评估;？譻？訛传函计算与评估;？譼？訛基于统计能量法计算隔声与评估。上述方法存在实施效率低、精度差、性价比低、考虑问题片面等问题，为了解决以上问题，本文将从另外一个方向探讨阻尼片的布置，即以内饰车身的加速噪声作为评估目标，既考虑了实际激励，也比传统应变能法的分析模型全面，即基于有限元能量计算方法进行阻尼片分析与优化。基于加速噪声的能量分析优化基本思路如下：首先，采用HyperMesh对前围板、地板等影响较大的薄钣金件进行切割（约200 mm）并重新命名，以便后续能量排序的时候能快速找到对应板件。其次，利用ACTRAN进行结构网格与声腔耦合，此过程比较复杂，主要是在ACERAN软件中，不能直接把HyperMesh中的模型树导进来，需要重新把与声腔耦合的结构面一块块的根据部件名称挑选出来进行耦合，涉及的部件较多，故比较烦琐。再次，耦合完毕之后，还需要对能量辐射輸出板件进行选取，此过程也类似之前烦琐的耦合操作，由于前围、地板等进行切割后的部件数量太多，所以需逐一选取上百个部件，后续能量的排序就是从此输出板件中进行排列。最后，把包含频率、幅值、相位的实际激励加载到相应的发动机悬置点上，将激励文件转换为.txt格式，ACTRAN识别的激励文件不同于HyperMesh的.csv格式，加载完毕后可以进行提交，分析计算输出前围板、地板上的能量。后处理中需要从每个能量输出部件的曲线中读取出能量幅值，并记录下来，再从加速、隔声等对能量大小进行交替排序，排查出能量靠前的区域，结合实际工艺图及重量成本，即可确定阻尼片的最优布置位置。换算不同材料（树脂热熔、树脂磁性、沥青热熔等）、厚度（2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm等）参数，分别进行加速噪声分析，与初始无阻尼状态的加速噪声曲线对比，形成一个较优的位置、厚度、材料方案。在有限元分析中，通过ACTRAN软件实现能量的分布排序，利用各切分区域的能量分布，找出影响较大处。对关键部件（前隔板、地板）切割（如图1所示）。
2 利用能量法优化加速噪声
2.1 有限元模型
以某车企SUV车型做为本文的分析原型，利用HyperMesh软件进行有限元网格建模。大板件的基本单元尺寸为10 mm×10 mm，对局部小部件进行细化处理，但单元最小尺寸仍然不能小于3 mm，三角形单元控制在5%以内。钣金件所采用的属性参数如下：弹性模量为2.1×105 MPa，密度为7.83×103 kg/m3，泊松比为0.3，不考虑受温度的影响。车身钣金件之间的连接采用Acm单元模拟焊点连接，RBE2单元模拟螺栓及烧焊连接，CBUSH单元模拟衬套及密封胶条连接;RBE3和集中质量模拟车身内外饰配重;需要注意的是，对于两个实体之间的连接，为了让自由度更加贴合实际，在用RBE2连接的时候，每个部件采用一个平面上的点自动拾取中心点的方式。采用四面流体单元建立声腔模型，声腔单元尺寸为40 m×40 mm，属性密度参数为1.293 kg/m3，声速为340 m/s。车身仿真模型建立完成之后，基于工程严谨的态度，一般需要对所建立模型进行对标验证模型的可信度，通常是通过一阶模态对比振型及频率，若误差小于5%，则可进行后续的仿真分析及方案优化;若误差大于5%，则需要重新调整建模，一般是从刚度、重量、材料参数等信息重新核实建模，确保模型准确性。本文由于涉及前围板、地板的相关能量分析，因此不仅需要保证整体白车身模型的有效性，还需要对地板、前围板等局部板件进行对标，确保满足相关模态仿真与测试对标误差在5%以内的精度要求。 2.2 模态仿真结果及测试验证
车身主要关注模态的振型及固有频率见表1。
从对比结果来看（见表1），仿真误差率基本低于标准值5%，仿真结果与测试结果吻合度非常高，证明建模方法正确，所建有限元模型可用于后续分析优化工作。
2.3 初始无阻尼加速噪声分析工况
在HyperMesh软件中，初始自由无任何阻尼（包括板件材料阻尼）模型状态下，在动力系统与车身的连接位置，即发动机左、右、后悬置等处分别施加X、Y、Z 3个方向的测试激励，激励文件需包含频率、幅值、相位，格式为.csv。激励文件加载完毕后，一般以前排驾驶员右耳附近作为响应位置，如果测试人员能提供试验时贴的传感器位置坐标，那就会更贴合实际。响应点的输出可以是速度、加速度、位移等，本文选择的是位移输出，后续再根据相关后处理公式或者插件转换成声压。运用广义频率响应计算法进行分析计算初始加速噪声，得到驾驶员右耳附近的声压级响应[3]。其中，车内噪声参考点根据《汽车内噪声测量方法》GB/T 18697—2002的规定选取。由声压级计算公式即可转换为驾驶员耳旁噪声声压级响应SPL：
SPL=20lg（p/pm）
上式中：p为乘客耳旁声压值，pm为参考声压值，取2.0×10-5 Pa，为了让噪声分析更能反映出人耳的听觉感受，仿真结果更加接近实际，往往需要对噪声分析的结果进行A计权转换[4]。
2.4 加速噪声能量分析
对关键部件（前隔板、地板）分析加速工况下的能量分布后，读取能量结果，并对相关板件的能量进行排序。
3 阻尼优化方案
3.1 阻尼位置优化方案
从能量分析中得知其能量大小，现对能量排序靠前（即表示能力较大）的区域布置阻尼片，从性能及重量的角度考虑，地板最优位置方案如图2、图3所示（灰色、灰白色为无阻尼区域），对应的分析结果如图4、图5所示。
从曲线结果可以得出，不同的阻尼片位置及数量对加速噪声的影响有差异。通过分析可知，地板为30片阻尼片位置优化方案噪声最低，前围板3片阻尼片位置为最优方案。
3.2 阻尼厚度优化方案
阻尼片的厚度决定了阻尼层的刚度矩阵大小。因此，改变阻尼片厚度，可以有效地调节阻尼片的损耗因子，进而影响噪声性能。通常，厚度越大，起的作用越大，但是到了一个值之后，往后的性能基本是维持在一个较平的趋势，而成本却会上升。故结合性能及成本的综合考虑，厚度一般不超过5 mm。在最优阻尼位置模型基础上分别设置1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm等厚度的阻尼片，分析其对加速噪声的影响，得到结果如图6、图7所示。
从分析结果可知，布置厚度为3.5 mm的阻尼片时，加速噪声性能最优，驾驶员人耳降低约2 dB，副驾驶人耳位置降低约3 dB，后排人耳位置降低约3 dB。
3.3 阻尼材料优化方案
不同的阻尼片材料，阻尼損耗因子参数特性是不一样的，通过采用不同的阻尼材料，噪声性能的效果也会有差异。对此，分析验证了4种常见的不同材料方案，分别为沥青热熔、树脂热熔、树脂磁性、水性阻尼。分析结果如图8、图9所示。
从分析结果可以看出，不同材料对加速噪声的影响不同。其中，地板最优材料为水溶性阻尼，前围板最优材料为树脂磁性材料。驾驶员人耳位置降低约1 dB，副驾人耳位置降低约2.4 dB，后排人耳位置降低约1.3 dB。
4 结论
本文利用内饰车身加速工况下的能量法对前围板、地板等大薄钣金件进行了阻尼片的布置优化，降低了车内加速噪声，并得到如下结论。
（1）通过模态仿真结果与测试结果的对比分析，确定有限元模型的有效性，故在此模型上进行的优化分析结果可信。
（2）利用加速噪声能量法可对关键部件进行切割能量输出、大小排序，找到能量较大的区域，即前地板左前、右前、左后、右后、备胎，前围板右上、右下等区域，从而确认阻尼片的最优布置位置;再通过分析不同厚度、不同材料的阻尼片，进一步改善加速噪声性能。
（3）利用能量法对振动较大、辐射噪声较明显的大钣金件铺设阻尼片后，前围板的优化方案中，噪声平均降低3 dB;地板的优化方案中，噪声平均降低1.4 dB，两种措施结合对加速噪声有较明显的改善，说明该加速工况下的能量法对降低车内加速噪声可行，为解决车内加速噪声提供了一种新的思路。
参 考 文 献
[1]王立公.NVH——汽车工业的新战场[J].世界汽车，1995（5）：24-25.
[2]付景顺，马光阳，王光辉.基于模态应变能的汽车地板自由阻尼材料布置[D].沈阳：沈阳工业大学，2018.
[3]马峰.基于NVH Director的车身节点贡献量分析[A].澳汰尔工程软件（上海）有限公司.2015Altair技术大会论文集[C].上海：澳汰尔工程软件（上海）有限公司，2015：381-384.
[4]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动[M].北京：北京理工大学出版社，2006.