阻尼材料在汽車NVH開發中的應用

劉 偉Liu Wei

?

阻尼材料在汽車NVH開發中的應用

劉 偉Liu Wei

（長城汽車股份有限公司技術中心河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

車輛NVH性能是汽車研發中一項重要指標，車身阻尼結構的振動和吸隔音特性是影響車內空腔聲學響應的重要因素。以國內某車型為例闡述阻尼材料在車輛NVH開發中的具體應用，通過對阻尼材料的選材及結構優化，降低車內關鍵頻率段的噪聲聲壓級，提升車內空腔的聲學品質。

阻尼；聲學；優化

0 引 言

隨著汽車技術的不斷發展，客戶對汽車性能要求與日俱增，對車內振動、噪聲要求越來越苛刻，車輛的NVH性能直接影響著客戶對車輛的選擇，所以車輛的NVH性能是整車企業發展及盈利的重要保證。阻尼材料是一種減振降噪材料[1]，它在車身中的合理應用可以大大提升整車的NVH品質，從而提升車輛在市場中的競爭力，是車輛NVH開發工作不可缺少的重要因素。

1 仿真建模及分析優化

國內某款車型在NVH性能提升階段需要針對問題頻率段開展減振降噪工作，車身結構基本固化需要通過優化阻尼板來降低車內振動噪聲。利用分析軟件計算駕駛員右耳聲學響應，采用ATV（Acoustic Transfer Vectors，聲學傳遞向量）方法以駕駛員右耳處場點聲壓為輸出，以包圍車內聲腔的板件的法向振速為輸入，計算該系統在場點聲壓響應各峰值的ATV，在發動機的懸置點處加上力的頻譜作為激勵，利用車身模態分析結果，采用模態疊加法計算出車身板件表面的振動速度[2]。目的是確保阻尼材料的合理性和針對性，控制成本的同時，最大限度地提升車內NVH性能。

1.1 車內聲學響應分析機理

外力激勵引起的車內聲壓響應是振動在車身結構和聲腔的噪聲傳遞函數，通過傳遞函數方法計算聲學靈敏度P/F（響應點聲壓/激勵點激勵力），由傳遞路徑分析得到車內的聲壓響應，從而得到車內考查點的聲壓響應。

式中，為角頻率；F()為激勵力；/ F()為聲學靈敏度。

考慮由發動機激勵引起的車內聲學響應，分析模型為聲腔和Trimbody的耦合模型，只考慮結構和空腔的聲學響應，不考慮內飾等吸隔音材料的影響，響應點為駕駛員右耳位置。

1.2 分析模型建立

空腔有限元模型基于平均單元尺寸大小為50 mm的四邊形面網格建立空腔體網格單元，并考慮儀表板、前圍板、座椅等對空腔模態的影響。

車身Trimbody模型主要考慮發動機、儀表板、轉向盤、座椅、開閉件、風擋玻璃、車窗、前后大燈、內外飾、電器元件等質量對車身的影響，其中內外飾、電器元件等采用質量點單元模擬，其他均采用有限元網格模擬。采用整體劃分單元法建立自由阻尼處理薄板及板梁組合結構的有限元模型，以便對表面阻尼處理結構進行結構動態特性分析。整體劃分單元法是把約束層、阻尼層和基體層看成一個整體，能更好地體現出阻尼結構各層之間協調關系，使各層之間在整個結合面上位移協調，具有單元總數少、運算省時、精度高等優點[3]，如圖1所示。

1.3 阻尼材料的應用

阻尼材料主要用于地板、頂棚、前圍板、后隔物板和后翼子板等。地板主要采用熱熔型阻尼材料，頂棚主要采用約束型，前圍板采用自粘型和發泡型，后隔物板采用約束型，后翼子板主要采用磁性阻尼材料[4]，如圖2所示。

1.4 阻尼材料優化

1.4.1 聲學靈敏度分析

在車身壁板阻尼層結構聲學靈敏度分析的基礎上對阻尼層結構的組合進行優化，使得在關鍵頻帶下車內聲壓級最小，實現車內降噪。

建立數學模型，選取關鍵頻率段80～130 Hz，對阻尼層結構進行優化，將此頻率段的駕駛員右耳傳遞函數降至55 dB以下。

1.4.2 設計變量

以不同結構的阻尼層厚度為設計變量參數，厚度變化范圍為±3 mm。

=（1，2，3，4，5，67，8）

其中，1為后隔物板阻尼層厚度，選用約束層阻尼；2為車頂棚阻尼層厚度，選用約束層阻尼；3為前圍板阻尼層厚度，選用發泡型、自粘型阻尼；4為車門內板阻尼層厚度，選用熱熔型自由層阻尼；5為前地板阻尼層厚度，選用熱熔型自由層阻尼；6為中地板阻尼層厚度，選用熱熔型自由層阻尼；7為后地板阻尼層厚度，選用熱熔型自由層阻尼；8為后翼子板阻尼層厚度，選用磁性阻尼材料。

1.4.3 約束條件及目標值

約束條件為阻尼材料質量最小，目標值為駕駛員右耳聲壓值低于55 dB。

1.4.4 優化結果

優化前、后阻尼材料的厚度變化見表1。

表1 阻尼材料厚度優化結構 mm

設計變量優化前優化后變化量 h156.7+1.7 h243.2-0.8 h385.1-2.9 h456.2+1.2 h567.3+1.3 h664.2-1.8 h764.1-1.9 h852.2-2.8

優化后車身阻尼板質量降低1.6 kg，后隔物板、車門內板和前地板等位置阻尼板厚度有所增加，車頂棚、前圍板、中后地板、后翼子板等位置阻尼板厚度有所減少，前圍和中后地板處阻尼板對車內噪聲貢獻較大，靈敏度較高。

仿真分析結果顯示優化后在80～130 Hz頻率段內駕駛員右耳噪聲傳遞函數（Noise Transfer Function，NTF）有明顯降低，總體在55 dB以下。其他頻率段內，傳遞函數也有不同程度降低，基本能夠保證在55 dB以下，如圖3所示。

2 實車驗證

2.1 阻尼材料厚度修正

基于仿真分析優化結果及現有產品實際厚度，修正車身阻尼板厚度從而實現工程化，修正后阻尼板厚度及變化量見表2。

表2 阻尼材料厚度修正結果 mm

設計變量優化前優化后修正后變化量 h156.77+2 h243.23-1 h385.15-3 h456.26+1 h567.37+1 h664.24-2 h764.14-2 h852.22-3

2.2 樣件裝車

依據修正結果制作阻尼板樣件并裝車驗證，地板及頂棚布置如圖4、圖5所示。

2.3 效果驗證

在粗糙瀝青路面，以80 km/h車速測試駕駛員右耳處噪聲水平，并與方案優化前進行效果對比，客觀測試數據顯示，在問題頻率100～140 Hz范圍內噪聲峰值下降2～3 dB（A），主觀評價車內嗡嗡聲基本消除，車內噪聲環境改善顯著，滿足設計要求。車內噪聲測試數據如圖6所示。

3 結束語

1）車身阻尼材料的合理使用能夠降低100～140 Hz范圍的車內噪聲水平；

2）仿真軟件能夠開展阻尼材料分布及厚度優化工作，能夠快速提出優化方案，實車驗證說明仿真分析結果的有效性，大大縮短開發周期，能夠滿足實際工程需要；

3）車身阻尼材料的合理使用不但可以降低成本還能有效控制車內噪聲，為提升車輛NVH品質提供了設計方向。

[1]李洪林. 瀝青阻尼材料在汽車上的應用與發展[J]. 汽車技術，2003（12）：34-36.

[2]朱林森，周鋐，趙靜. 基于模態應變能分析和板件單元貢獻分析的車身阻尼處理[J]. 汽車技術，2010（10）：8-11.

[3]吳楨，左言言，葛瑋. 車身阻尼處理降噪的有限元分析[J]. 噪聲與振動控制，2010，30（3）：81-84.

[4]鄧江華，劉獻棟，李興虎，等. 車身阻尼層結構的聲靈敏度分析及優化[J]. 噪聲與振動控制，2009，29（1）：54-57.

1002-4581（2017）03-0052-03

U465

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.03.014