針對某SUV車型內飾車身加速噪聲的阻尼優化分析

張群 陳嘉斌 莫承強 黃海路

【摘 要】汽車加速噪聲作為NVH的一個重要評價指標，直接影響用戶的直觀感知，加速噪聲的控制已經成為各大汽車廠家的生產控制難點及賣點。為提升某SUV車型的加速噪聲，對其前圍板、地板等進行能量分析，并針對其能量分布排序進行阻尼片布置分析優化，從而達到優化加速噪聲的目的。該方法首先采用HyperMesh作為網格的前處理建模，然后利用ACTRAN軟件進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險區域，最后根據此區域對其進行阻尼片的布置、材料、厚度等優化，使該車身的加速噪聲得到優化改善。

【關鍵詞】加速噪聲;能量分析;阻尼片優化

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

0 引言

隨著汽車工業的快速發展，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的要求越來越高，在滿足外觀、動力等的標配需求后，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）的統稱，是衡量乘坐舒適性的重要指標[1]。為了在競爭激烈的汽車行業中更具優勢，NVH性能的提升已經成為各大汽車廠家必須考慮的問題。目前，國內車企用于評價NVH的常規分析項中，一般包括模態、動剛度、噪聲傳遞函數、振動傳遞函數、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，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、阻尼系數、發動機激勵及輪胎建模等因素疊加，整車加速的對標還不是很好，也為后續的加速優化增加了難度。因此，為了能更方便地針對實車問題進行優化，可以縮減模型，去掉不確定因素，僅保留整個內飾車身，再應用實際采集的激勵，就可以對加速噪聲的優化提供一定的指導。各種阻尼材料的應用，可以有效降低車身的高頻振動，打散集中的能量，從而降低車內噪聲[2]。

本文以某SUV車型作為研究對象，建立帶內飾的車身有限元模型及聲腔模型結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、模態密度密集、能量集中的區域（前圍板、前后地板等）采用ACTRAN進行能量分析、排序，進一步確認阻尼材料的布置位置、材料屬性、厚度等，并對影響因素進行優化整合，保持單一變量，得出阻尼材料位置、厚度、材料等的最優解，達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？訛工程經驗與測試;？譺？訛模態應變能計算與評估;？譻？訛傳函計算與評估;？譼？訛基于統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，即以內飾車身的加速噪聲作為評估目標，既考慮了實際激勵，也比傳統應變能法的分析模型全面，即基于有限元能量計算方法進行阻尼片分析與優化。基于加速噪聲的能量分析優化基本思路如下：首先，采用HyperMesh對前圍板、地板等影響較大的薄鈑金件進行切割（約200 mm）并重新命名，以便后續能量排序的時候能快速找到對應板件。其次，利用ACTRAN進行結構網格與聲腔耦合，此過程比較復雜，主要是在ACERAN軟件中，不能直接把HyperMesh中的模型樹導進來，需要重新把與聲腔耦合的結構面一塊塊的根據部件名稱挑選出來進行耦合，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、地板等進行切割后的部件數量太多，所以需逐一選取上百個部件，后續能量的排序就是從此輸出板件中進行排列。最后，把包含頻率、幅值、相位的實際激勵加載到相應的發動機懸置點上，將激勵文件轉換為.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行交替排序，排查出能量靠前的區域，結合實際工藝圖及重量成本，即可確定阻尼片的最優布置位置。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，分別進行加速噪聲分析，與初始無阻尼狀態的加速噪聲曲線對比，形成一個較優的位置、厚度、材料方案。在有限元分析中，通過ACTRAN軟件實現能量的分布排序，利用各切分區域的能量分布，找出影響較大處。對關鍵部件（前隔板、地板）切割（如圖1所示）。

2 利用能量法優化加速噪聲

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軟件進行有限元網格建模。大板件的基本單元尺寸為10 mm×10 mm，對局部小部件進行細化處理，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。鈑金件所采用的屬性參數如下：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和集中質量模擬車身內外飾配重;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，基于工程嚴謹的態度，一般需要對所建立模型進行對標驗證模型的可信度，通常是通過一階模態對比振型及頻率，若誤差小于5%，則可進行后續的仿真分析及方案優化;若誤差大于5%，則需要重新調整建模，一般是從剛度、重量、材料參數等信息重新核實建模，確保模型準確性。本文由于涉及前圍板、地板的相關能量分析，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行對標，確保滿足相關模態仿真與測試對標誤差在5%以內的精度要求。

2.2 模態仿真結果及測試驗證

車身主要關注模態的振型及固有頻率見表1。

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

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）模型狀態下，在動力系統與車身的連接位置，即發動機左、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位置，如果測試人員能提供試驗時貼的傳感器位置坐標，那就會更貼合實際。響應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，后續再根據相關后處理公式或者插件轉換成聲壓。運用廣義頻率響應計算法進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[3]。其中，車內噪聲參考點根據《汽車內噪聲測量方法》GB/T 18697—2002的規定選取。由聲壓級計算公式即可轉換為駕駛員耳旁噪聲聲壓級響應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，仿真結果更加接近實際，往往需要對噪聲分析的結果進行A計權轉換[4]。

2.4 加速噪聲能量分析

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

3 阻尼優化方案

3.1 阻尼位置優化方案

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

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

3.2 阻尼厚度優化方案

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，可以有效地調節阻尼片的損耗因子，進而影響噪聲性能。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。故結合性能及成本的綜合考慮，厚度一般不超過5 mm。在最優阻尼位置模型基礎上分別設置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，得到結果如圖6、圖7所示。

從分析結果可知，布置厚度為3.5 mm的阻尼片時，加速噪聲性能最優，駕駛員人耳降低約2 dB，副駕駛人耳位置降低約3 dB，后排人耳位置降低約3 dB。

3.3 阻尼材料優化方案

不同的阻尼片材料，阻尼損耗因子參數特性是不一樣的，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。分析結果如圖8、圖9所示。

從分析結果可以看出，不同材料對加速噪聲的影響不同。其中，地板最優材料為水溶性阻尼，前圍板最優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 結論

本文利用內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行了阻尼片的布置優化，降低了車內加速噪聲，并得到如下結論。

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

（2）利用加速噪聲能量法可對關鍵部件進行切割能量輸出、大小排序，找到能量較大的區域，即前地板左前、右前、左后、右后、備胎，前圍板右上、右下等區域，從而確認阻尼片的最優布置位置;再通過分析不同厚度、不同材料的阻尼片，進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阻尼片后，前圍板的優化方案中，噪聲平均降低3 dB;地板的優化方案中，噪聲平均降低1.4 dB，兩種措施結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加速噪聲可行，為解決車內加速噪聲提供了一種新的思路。

參 考 文 獻

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

[2]付景順，馬光陽，王光輝.基于模態應變能的汽車地板自由阻尼材料布置[D].沈陽：沈陽工業大學，2018.

[3]馬峰.基于NVH Director的車身節點貢獻量分析[A].澳汰爾工程軟件（上海）有限公司.2015Altair技術大會論文集[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：北京理工大學出版社，2006.