基于HyperMesh的電動(dòng)汽車NVH聲腔模態(tài)分析*

馬倩昀 馮國勝 賈素梅 李書利

(1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2.長城汽車股份有限公司)

隨著純電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，電動(dòng)汽車成為鼓勵(lì)人們出行的首選交通工具，得到了更多人的接受和認(rèn)可，但是電動(dòng)汽車的振動(dòng)噪聲問題日益凸顯，嚴(yán)重影響駕駛員和乘客的舒適性。其中汽車NVH最具代表性，因此，NVH成為衡量汽車好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的新標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。文獻(xiàn)[3]針對(duì)改善汽車NVH提出一系列優(yōu)化方案，將零部件作為優(yōu)化目標(biāo)，通過較小改進(jìn)以達(dá)到汽車NVH性能的最優(yōu)解。文獻(xiàn)[4]針對(duì)白車身模型采用CAE軟件對(duì)其進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，通過計(jì)算得到的激振力和響應(yīng)關(guān)系查看聲壓值是否符合目標(biāo)值，對(duì)不達(dá)標(biāo)部件設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[5]講述了發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力總成相關(guān)的NVH問題，概述了每種問題類型，并針對(duì)各種混合動(dòng)力車型中出現(xiàn)的NVH問題提出了抑制方法。但上述研究方法對(duì)幾何建模過程以及聲腔建模并未詳細(xì)提及，無法判斷噪聲具體分布。文章基于聲腔理論知識(shí)，通過建立某電動(dòng)汽車的白車身幾何模型和有限元模型，開展白車身有限元分析、車內(nèi)噪聲有限元分析，識(shí)別車內(nèi)聲壓分布情況，為該車型以后生產(chǎn)制造提供參考。

1 聲學(xué)分析

1.1 聲學(xué)方程的建立

在一封閉空間內(nèi)，在不受外界干擾時(shí)，空間內(nèi)傳播介質(zhì)可看作靜止的、均勻的。但受到外界擾動(dòng)時(shí)，媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)就會(huì)獲得速度，壓強(qiáng)和密度也會(huì)發(fā)生變化，成為時(shí)間和空間位置的函數(shù)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得到聲波的連續(xù)性方程[6]：

式中：ρ—介質(zhì)密度，kg/m3；

u—質(zhì)點(diǎn)速度，m/s。

根據(jù)牛頓第二定律可得到聲波的動(dòng)力學(xué)方程[6]：

理想氣體時(shí)熱力學(xué)方程為：

式中：p—聲壓，Pa；

p0—靜態(tài)壓強(qiáng)，Pa；

ρ—靜態(tài)密度，kg/m3。

根據(jù)公式(1)、公式(2)、公式(3)得到一維聲學(xué)方程：

因此三維系統(tǒng)聲學(xué)方程式如下：

引入算子表達(dá)式：

式中：▽2—拉普拉斯算子。

方程(5)可寫為：

1.2 空腔聲學(xué)有限元方程

如果采用有限元中離散化方法來表示空腔容積，則式(7)可以將其簡化成一組方程，其矩陣形式為[7]：

式中：{p}—節(jié)點(diǎn)在離散位置上的壓力，N；

[Ma]—聲學(xué)質(zhì)量矩陣；

[Ka]—聲學(xué)剛度矩陣；

{I}—流體的廣義力向量。

假設(shè)系統(tǒng)為自由振動(dòng)，則式(8)可表示為：

將式(9)進(jìn)行求解可得到車內(nèi)聲腔系統(tǒng)固有頻率和振型。

2 白車身幾何模型的建立

文章主要是對(duì)整車NVH進(jìn)行性能仿真，然而整車的裝配則是在白車身基礎(chǔ)上完成的，白車身影響著整車的各種性能，所以對(duì)白車身模型的精確搭建及有限元分析是必不可少的[8]。在確保搭建白車身模型準(zhǔn)確無誤的情況下，才能進(jìn)行NVH的性能仿真。汽車車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多，整車零部件大多屬于薄板一類，所以可以采用CATIA軟件中創(chuàng)成式曲面模塊進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)，之后進(jìn)行白車身裝配。

白車身結(jié)構(gòu)分為前后圍板、頂蓋、底板、右側(cè)圍及左側(cè)圍主要部件，另外前部還包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙總成和一些填補(bǔ)件等。圖1示出白車身各零部件的幾何模型圖，選取所需的零部件模型進(jìn)行白車身裝配，圖2示出白車身幾何模型圖。

圖1 白車身零部件

圖2 白車身幾何模型

由圖2白車身幾何模型圖可知，白車身由眾多零部件構(gòu)成，左右部分成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，每個(gè)零部件形狀、厚度、結(jié)構(gòu)以及大小各異，每個(gè)實(shí)體含有眾多特征，比如：加強(qiáng)筋、圓角及翻邊等。白車身則是由這些鋼板類零部件通過點(diǎn)焊、焊縫及膠粘等連接而成。

3 白車身有限元分析

標(biāo)準(zhǔn)有限元建模流程，可分為：（建模）前處理、分析和求解以及（可視化）后處理。其中前處理包括：導(dǎo)入數(shù)模、抽取中面、幾何清理及幾何簡化、網(wǎng)格劃分、材料和屬性的定義、載荷約束工況的施加以及導(dǎo)出模型；后處理則包括：云圖（位移、應(yīng)力等）。

3.1 抽取中面

HyperMesh可以從復(fù)雜的幾何體中抽取中面，利用其功能在對(duì)殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)由難變易，尤其是對(duì)鋼板類材料的建模可提供很大幫助，既能節(jié)省大量時(shí)間又能提高建模效率。此車型大部分使用的是鋼板類材料的零部件，整體結(jié)構(gòu)多而復(fù)雜，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的零件可以采用簡單方便的板殼單元來進(jìn)行模擬，首先將體結(jié)構(gòu)的薄壁簡化成面，此時(shí)需要采取抽取中面的方法，通過抽取中面生成殼單元，代替實(shí)體板殼進(jìn)行計(jì)算。HyperMesh的中面抽取主要是在midsurface面板下進(jìn)行的，對(duì)于一些復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析研究時(shí)，也可以采取手動(dòng)抽取中面完成。

3.2 幾何清理及幾何簡化

3.2.1 幾何清理

模型在導(dǎo)入Hypermesh軟件后會(huì)出現(xiàn)缺陷，有可能出現(xiàn)曲面拓?fù)潢P(guān)系、幾何特征缺失、T形邊以及抽取中面時(shí)相對(duì)關(guān)系判斷錯(cuò)誤等問題的發(fā)生。如果這些錯(cuò)誤不能及時(shí)進(jìn)行清理改正，則會(huì)影響后續(xù)有限元網(wǎng)格劃分模型質(zhì)量、計(jì)算精度和速度。所以需要對(duì)幾何進(jìn)行清理。通過對(duì)曲面的不連續(xù)、缺失面進(jìn)行修復(fù),對(duì)重復(fù)面進(jìn)行刪除、對(duì)不合格線段進(jìn)行壓縮以及對(duì)重合頂點(diǎn)或者邊界進(jìn)行容差處理等,目的是得到對(duì)CAE分析適用的幾何模型。如圖3所示，對(duì)缺失面進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后的模型如圖4所示。

圖3 后地板缺失面 圖4 后地板缺失面修復(fù)

3.2.2 幾何簡化

本項(xiàng)目研究的是汽車NVH聲腔模態(tài),需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)幾何模型進(jìn)行簡化，簡化的特征一般包括有孔、凹槽及加強(qiáng)筋等。

1)孔的簡化。孔可以分為2類：一類是工藝孔，零部件進(jìn)行裝配時(shí)為定位預(yù)留的孔或者為節(jié)省材料而開的孔，這類孔直徑小數(shù)量密集，對(duì)后續(xù)NVH聲場仿真影響不大，建議將孔去掉。如白車身后地板上的小孔是為了定位而設(shè)計(jì)的，對(duì)白車身模態(tài)影響不大，因后續(xù)NVH聲場分析中需要建立密封環(huán)境，所以這些小孔可以忽略不計(jì)。另一類孔是為了進(jìn)行各零部件裝配時(shí)為螺栓、螺釘?shù)冗B接而預(yù)留，這些孔為標(biāo)準(zhǔn)孔，對(duì)白車身固有模態(tài)分析有一定的影響，這些孔需要加以考慮，不可隨意刪除。

2)加強(qiáng)筋的簡化。添加加強(qiáng)筋是為了改善車身零部件的剛度，車身模態(tài)分析時(shí)白車身的固有頻率在很大程度上會(huì)受到加強(qiáng)筋影響，因?yàn)榧訌?qiáng)筋的存在，零部件重量稍微有所變動(dòng)時(shí)，固有頻率則會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，由于本項(xiàng)目主要研究白車身NVH聲場性能，加強(qiáng)筋的影響可以忽略不計(jì)，所以在有限元簡化時(shí)可對(duì)加強(qiáng)筋進(jìn)行刪除。

3.3 網(wǎng)格劃分

本次網(wǎng)格劃分采用平均單元尺寸為10mm×10mm的批量網(wǎng)格劃分，生成的總單元數(shù)目、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、三角形總單元數(shù)、三角形占據(jù)比，如表1所示。

表1 網(wǎng)格生成數(shù)目表

3.4 材料屬性定義

白車身主要材料為鋼板類鈑金件，采用殼單元來進(jìn)行模擬，在HyperMesh中定義的材料類別為Mat1，即：線性彈性材料。鋼板類材料參數(shù)表見表2所示。屬性定義主要是對(duì)殼單元厚度進(jìn)行確定，因白車身零部件眾多，故列出部分零部件殼單元厚度，如表3所示。

表2 鋼材料參數(shù)表

表3 殼單元厚度表

3.5 1D單元連接

白車身有限元分析中選用剛性連接單元，焊點(diǎn)采用ACM單元模擬、螺栓采用RBE2單元模擬、焊縫采用PENTA單元進(jìn)行模擬。RBE2單元常用于模擬簡化的焊接單元，或者將2部分不匹配的網(wǎng)格進(jìn)行連接。通過以上3種連接可以精確的模擬車身結(jié)構(gòu)。

3.6 白車身有限元模型建立

通過上述一系列有限元前處理操作，抽取中面、幾何清理簡化、劃分網(wǎng)格、定義材料屬性、連接單元及施加工況等，最后生成白車身有限元模型如圖5所示。

圖5 白車身有限元模型

4 聲腔模型的建立

4.1 添加內(nèi)組件

聲腔模型是將車身圍成一個(gè)封閉的空腔，在建立有限元模型時(shí)，可忽略車身左右外側(cè)圍(聲腔的接觸主要是與內(nèi)板),僅保留車身骨架以及內(nèi)圍板。在此基礎(chǔ)上才能保證建模的準(zhǔn)確性。在建立的車身有限元模型基礎(chǔ)上需要添加玻璃、四車門內(nèi)板、后背門內(nèi)板等部件，如圖6所示。其有限元處理方法與白車身步驟相同，內(nèi)組件有限元模型如圖7所示。由于此次任務(wù)是完成對(duì)聲腔模態(tài)的仿真，內(nèi)組件有限元模型完成后，在進(jìn)行有限元處理時(shí)需要將模型上的孔洞進(jìn)行填補(bǔ)確保其密封性，內(nèi)組件與白車身的連接采用HyperMesh 2D單元中的Rule網(wǎng)補(bǔ)法，使與其接觸面通過網(wǎng)補(bǔ)構(gòu)成密封空腔。密封空腔的建立則是聲腔模態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)。

圖6 內(nèi)板組件

圖7 內(nèi)組件有限元模型

4.2 導(dǎo)入座椅模型

在建立聲學(xué)有限元模型時(shí)，要考慮到座椅的影響，如果忽略座椅會(huì)使計(jì)算得到的聲腔頻率偏高，且影響節(jié)線位置和形狀。所以對(duì)車內(nèi)座椅不容忽視。將座椅幾何模型導(dǎo)入車內(nèi)，對(duì)座椅幾何模型進(jìn)行有限元前處理，首先劃分2D網(wǎng)格后，在2D網(wǎng)格劃分完成的基礎(chǔ)上在進(jìn)行3D網(wǎng)格四面體的劃分，最后將生成的座椅內(nèi)腔網(wǎng)格移到同一層下，提取座椅表面。

4.3 3D網(wǎng)格劃分

座椅網(wǎng)格劃分完畢后，進(jìn)行座椅外表面與車身聲腔里表面包圍區(qū)域的網(wǎng)格劃分。首先將封閉車身進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，之后提取車身外表面。最后在A coustic cavity mesh模塊下，建立聲腔網(wǎng)格。生成的四面體單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)如表4所示。

表4 3D網(wǎng)格劃分參數(shù)表

4.4 聲腔模態(tài)分析

以O(shè)ptiStruct作為求解器，進(jìn)行聲學(xué)模態(tài)計(jì)算，得到各階頻率下的模態(tài)振型圖，其中前6階模態(tài)頻率和振型如表5所示。

表5 前6階模態(tài)頻率和振型參數(shù)值

前6階聲腔模態(tài)振型圖如圖8~圖13所示。

圖8 第1階模態(tài)振型圖截圖

圖13 第6階模態(tài)振型圖截圖

由圖8可知：第1階固有頻率為60.70 Hz，振型呈縱向分布狀態(tài)，即聲波在空氣中縱向傳播，振型圖紅色部分代表聲壓最大值，出現(xiàn)在車身前圍處，即前圍處聲壓最大。從前圍到車尾傳播過程中，聲壓依次減小，在車尾處聲壓達(dá)到最小值。

由圖9可知：第2階固有頻率為110.49 Hz，振型呈縱向分布狀態(tài)，聲壓最小位置出現(xiàn)在車門內(nèi)板B柱附近。聲壓值從車門內(nèi)板B柱向兩端逐漸增大，在前圍和車尾處聲壓值達(dá)到最大。

圖9 第2階模態(tài)振型圖截圖

由圖10可知：第3階固有頻率為115.3 Hz，振型呈橫向分布狀態(tài)，振型圖紅色部分代表聲壓最大值，出現(xiàn)在車身右側(cè)圍處，即車身右側(cè)圍處的聲壓最大。從右側(cè)圍到車身左側(cè)圍處聲壓值依次減小，在左側(cè)駕駛員處聲壓達(dá)到最小值。

圖10 第3階模態(tài)振型圖截圖

由圖11可知：第4階固有頻率為147.61 Hz，振型為橫向和縱向的相交組合。橫向振型與縱向振型交匯在前后車門B柱空間處。在左輪罩和右前圍附近聲壓達(dá)到最大值，在左前圍即駕駛員處聲壓最小，對(duì)駕駛員影響小。

圖11 第4階模態(tài)振型圖截圖

由圖12可知：第5階固有頻率為162.29 Hz，振型呈縱向分布狀態(tài)，在后背門和頂蓋后端交合處聲壓達(dá)到最大值，駕駛員和車尾附近聲壓最小。

圖12 第5階模態(tài)振型圖截圖

由圖13可知：第6階固有頻率為164.70 Hz，振型呈垂向分布狀態(tài)，在左門檻梁處聲壓達(dá)到最大值，從左門檻至頂蓋方向聲壓值依次減小，在車身頂蓋處聲壓最小。

通過對(duì)以上前6階振型分析，空腔形狀基本呈對(duì)稱狀態(tài)，聲壓振型符合車內(nèi)的聲壓分布規(guī)律，所以空腔中的一些不規(guī)則形狀不會(huì)影響其聲壓振型。由此可見在車內(nèi)聲壓分布合理，產(chǎn)生的噪聲值不會(huì)引起駕駛員和乘客的不適反應(yīng)。

5 結(jié)論

通過企業(yè)提供的某車型圖紙，使用Catia三維建模軟件進(jìn)行白車身幾何模型構(gòu)建；將建立好的幾何模型導(dǎo)入仿真軟件中，進(jìn)行中面抽取、幾何清理及簡化、網(wǎng)格劃分、定義材料屬性及1D單元連接等，從而建立白車身有限元模型；之后在建立的白車身有限元模型的基礎(chǔ)上添加內(nèi)蒙皮、導(dǎo)入座椅模型、劃分3D網(wǎng)格等進(jìn)行聲腔建模，確保聲腔封閉后選擇OptiStruct求解器進(jìn)行聲腔模態(tài)分析，通過選取前6階主振型計(jì)算結(jié)果分析得知：振型呈縱向、橫向、垂向以及相交等形狀分布，但聲壓振型符合車內(nèi)聲壓規(guī)律，使得聲壓分布情況合理，產(chǎn)生的噪聲值不會(huì)引起駕駛員和乘客的不適反應(yīng)，對(duì)駕駛員及乘客影響較小。該仿真為車身的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要參考。