車用阻尼板輻射噪聲建模分析方法技術(shù)研究

劉永杰，鄧雅瓊，栗 娜，孫新波，孫富貴，張 智

（1.北汽研究總院新技術(shù)研究院，北京101300；2.蘇州豹馳聲學(xué)科技有限公司，江蘇 昆山215334）

近年來隨著新能源汽車的興起，整車輕量化設(shè)計(jì)[1]直接影響到新能源汽車的續(xù)航里程，傳統(tǒng)的過盈設(shè)計(jì)無法滿足新能源車的實(shí)際續(xù)航里程要求，為此整車輕量化設(shè)計(jì)成為一種趨勢(shì)（未來整車輕量化及材料應(yīng)用如圖1所示），整車輕量化設(shè)計(jì)及正向開發(fā)主要集中在以下3個(gè)方面：

(1)車身結(jié)構(gòu)材料的輕量化及材料承載能力的提升；典型的有碳纖維車身[2]、鋁合金車身[3]、高強(qiáng)度合金鋼[4]等；

圖1 材料在整車輕量化中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)[3]

(2)車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)[5]；典型的有車身側(cè)人為增加開口設(shè)計(jì)、沖壓件的厚度降低及局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)等；

(3)車身附件的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]；典型的有阻尼層的布置優(yōu)化[7]、車身密封件設(shè)計(jì)優(yōu)化、新型阻尼材料及吸聲內(nèi)飾材料設(shè)計(jì)開發(fā)等。

輕量化設(shè)計(jì)必然對(duì)整車的綜合性能造成一定的影響，其中整車的綜合性能主要體現(xiàn)在安全性、動(dòng)力性、操縱性、舒適性；其中對(duì)整車舒適性影響最大的就是整車NVH性能。NVH性能是客戶對(duì)汽車最直接的感受，NVH 問題中的結(jié)構(gòu)噪聲是由振動(dòng)引起的，在車身上布置阻尼材料[7]是控制結(jié)構(gòu)噪聲的主要方法之一。通過合理的選擇阻尼材料，優(yōu)化布置方法，可較好地改善汽車的振動(dòng)噪聲性能。但是，阻尼材料在改善汽車性能的同時(shí)會(huì)帶來額外的附加質(zhì)量，這就對(duì)車身阻尼材料的布置方案提出了更高的要求。

文中通過對(duì)瀝青基黏彈性阻尼材料的懸臂梁測(cè)試[8]，獲取了該阻尼材料的技術(shù)參數(shù)（楊氏模量及隨頻率變化的損耗因子），結(jié)合有限元分析方法，針對(duì)某車用阻尼鋼板進(jìn)行有限元模型搭建[9]，采用測(cè)試手段驗(yàn)證了該分析結(jié)果的可靠性；從而為車身阻尼鋼板的建模及分析提供了較好的思路，可為整車輕量化設(shè)計(jì)及正向開發(fā)提供有利的技術(shù)支持，降低整車輕量化設(shè)計(jì)開發(fā)成本。

1 阻尼板振動(dòng)有限元理論及建模

1.1 多自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程介紹

車用阻尼鋼板的建模，其主要分析環(huán)節(jié)為阻尼材料對(duì)阻尼鋼板的振動(dòng)性能的影響，在建模過程中，需要對(duì)阻尼材料的阻尼效果進(jìn)行準(zhǔn)確的建模；采用有限元分析理論，將結(jié)構(gòu)件進(jìn)行簡化，等效為多自由度系統(tǒng)，并采用多自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)方程進(jìn)行描述，如式（1）所示[10]

其中：M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，P(t)為施加載荷。

黏彈性阻尼材料的阻尼特性可以簡化為線性阻尼，因此在其阻尼參數(shù)處理的過程中，將采用線性等效的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣進(jìn)行簡化，對(duì)于阻尼材料本身，采用復(fù)模量及密度對(duì)其進(jìn)行參數(shù)表征。

1.2 黏彈性阻尼材料參數(shù)表征

根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，將黏彈性阻尼材料采用多自由度線性系統(tǒng)方程進(jìn)行簡化，最終將黏彈性阻尼材料的參數(shù)表征為復(fù)模量及其密度；采用國標(biāo)[8]中提到的結(jié)構(gòu)損耗因子η對(duì)阻尼材料的阻尼性能進(jìn)行表征，其與阻尼材料的復(fù)模量之間的關(guān)系如式（2）所示[11]

因此，阻尼材料的復(fù)模量可以與結(jié)構(gòu)損耗因子進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，從而作為結(jié)構(gòu)有限元分析及建模的輸入。

2 阻尼板噪聲測(cè)試臺(tái)介紹及其FEA建模

2.1 阻尼板噪聲測(cè)試臺(tái)工作原理介紹

車用阻尼鋼板輻射噪聲測(cè)試臺(tái)由車用內(nèi)飾材料及箱體合金組成，其中阻尼鋼板按照實(shí)際車用鋼板的厚度及材料牌號(hào)進(jìn)行加工，阻尼材料與鋼板之間的連接工藝與車上實(shí)際工藝相同。阻尼鋼板與箱體之間采用密封膠泥進(jìn)行減振及密封處理，使得阻尼鋼板具備近似自由狀態(tài)的邊界條件，并對(duì)外部噪聲向內(nèi)部泄露進(jìn)行仿真；測(cè)試臺(tái)具體測(cè)試原理及臺(tái)架實(shí)物如圖2所示。

圖2 阻尼板輻射噪聲測(cè)試臺(tái)

根據(jù)圖2可以看出：通過激振器采用白噪聲信號(hào)對(duì)阻尼鋼板進(jìn)行全頻段激勵(lì)，鋼板與激振器的載荷通過力傳感器進(jìn)行采集，內(nèi)部輻射噪聲通過傳聲器進(jìn)行采集；將力信號(hào)錄入有限元分析模型，作為載荷激勵(lì)，將輻射噪聲信號(hào)輸出作為有限元建模仿真分析對(duì)標(biāo)信號(hào)。

2.2 阻尼板噪聲測(cè)試臺(tái)FEA建模

基于測(cè)試臺(tái)的實(shí)際構(gòu)型，采用聲學(xué)有限元分析方法對(duì)其進(jìn)行FEA 模型搭建，采用有限元網(wǎng)格進(jìn)行內(nèi)飾材料（PET 棉）建模，通過駐波管測(cè)試臺(tái)架[12]對(duì)PET棉進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試，獲取PET棉的吸聲參數(shù)，作為有限元模型輸入；阻尼鋼板噪聲測(cè)試臺(tái)FEA 模型如圖4所示。

圖3 阻尼板輻射噪聲測(cè)試FEA模型

其中，對(duì)#304不銹鋼板采用殼單元進(jìn)行建模，對(duì)阻尼材料采用實(shí)體單元進(jìn)行建模，對(duì)PET 棉及內(nèi)部空氣基于聲學(xué)單自由度實(shí)體單元進(jìn)行建模；對(duì)激振器載荷基于臺(tái)架實(shí)際測(cè)試的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入分析。

3 阻尼板輻射噪聲模擬及測(cè)試對(duì)標(biāo)

3.1 阻尼板輻射噪聲模型參數(shù)介紹

基于上述阻尼板噪聲測(cè)試臺(tái)FEA 建模方法，將阻尼鋼板的材料參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)根據(jù)國標(biāo)[8]進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試臺(tái)架如圖4所示。

圖4 某阻尼材料楊氏模量及損耗因子測(cè)試臺(tái)

測(cè)試結(jié)果如表1所示；其中阻尼材料的損耗因子測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

表1 阻尼鋼板材料參數(shù)

圖5 某阻尼材料損耗因子特性曲線

基于圖4數(shù)據(jù)可以看出，阻尼材料的損耗因子為一條隨頻率變化的曲線，意味著在進(jìn)行振動(dòng)噪聲分析的過程中，材料的阻尼效果隨頻率變化而發(fā)生變化，其特性與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料不同；基于圖5測(cè)試材料損耗因子，對(duì)阻尼材料的復(fù)模量進(jìn)行參數(shù)定義，復(fù)模量的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 某阻尼材料復(fù)模量曲線

3.2 激振器激發(fā)載荷

基于圖2的測(cè)試原理圖，在阻尼板與激振器之間采用力傳感器進(jìn)行載荷測(cè)試，并將該載荷測(cè)試數(shù)據(jù)作為FEA 模型仿真分析的輸入載荷，具體測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 激振器作用于阻尼鋼板載荷

3.3 阻尼板輻射噪聲測(cè)試對(duì)標(biāo)

基于上述的輸入?yún)?shù)及2.2 小節(jié)的阻尼板輻射噪聲模型，對(duì)傳聲器位置的噪聲進(jìn)行分析計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

由圖8可以看出：在準(zhǔn)確測(cè)量阻尼材料及內(nèi)飾材料參數(shù)的情況下，采用FEA 建模分析方法，可以精確模擬阻尼板的輻射噪聲。

4 結(jié)語

通過對(duì)某瀝青阻尼材料制備的車用阻尼鋼板進(jìn)行有限元仿真分析并結(jié)合臺(tái)架測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論：

(1)在具備準(zhǔn)確的材料參數(shù)及激勵(lì)載荷的情況下，采用FEA 建模方法，可以有效仿真阻尼鋼板的輻射噪聲，其仿真分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高，可為整車車身輕量化設(shè)計(jì)及正向設(shè)計(jì)開發(fā)提供依據(jù)；

(2)除此之外，基于同樣的分析方法及設(shè)計(jì)理念，在不具備激勵(lì)載荷的情況下，在車身前期設(shè)計(jì)階段，可以通過采用有限元分析方法對(duì)阻尼材料進(jìn)行輻射噪聲性能評(píng)估及材料供應(yīng)商的刪選，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的溝通成本及樣品測(cè)試驗(yàn)證成本。