車身聲腔模態有限元分析方法研究

盧元燕，郟超，原孝菊

車身聲腔模態有限元分析方法研究

盧元燕，郟超，原孝菊

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車身聲腔模態是整車NVH性能設計的重要因素，聲腔模態的準確分析對前期性能設計具有重要意義。文章對車內聲腔模態的建模方法進行了深入研究，對現有三種聲腔建模方法進行對比，提出了一種新的考慮儀表臺下部空氣流通的車身聲腔模態分析方法，并通過模態試驗進行了實際測試，試驗結果驗證新方法具有較高準確性。

聲腔模態；車身；有限元分析；模態試驗

引言

當今消費者對汽車舒適度越來越重視，汽車NVH（噪聲、振動、舒適性）性能已經成為影響顧客購車的一個重要因素。汽車車內噪聲作為汽車NVH的重要性能指標之一，消費者對該要求也更加重視，車身聲腔模態是影響車內噪聲的重要因素之一[1]。

車內空間是乘員最直觀地體驗區域，它是由車身圍成的一個封閉空腔，內部充滿空氣，車內空氣所形成的空間就是車身聲腔，同任何結構一樣，它也擁有模態頻率和模態振型，即所謂的聲腔模態。車身聲腔由車內內飾或鈑金形狀、空間大小決定。在設計初期通過有限元分析確定車內空腔的聲場分布以及模態振型具有重要意義，能夠根據車輛的基本參數有效地對車身結構、車內聲學特性進行優化匹配，從而避免許多共振問題產生，提高車內的聲品質。目前針對車身聲腔模態的有限元分析方法有多種形式，本文提出了一種新的考慮儀表臺下部空氣流通的車身聲腔模態分析方法，與現有分析方法進行了分析對比，并通過Lms Test_lab 模態系統試驗對某實車車內空腔聲學模態頻率和模態形狀進行了測試，試驗結果驗證了新的分析方法具有更高的準確性。

1 理論

聲腔模態的計算是基于經典的聲學理論[2]。在無阻尼、無外在載荷情況下流場內波動方程的有限元矩陣形式如式（1）所示。

式中：M為流體等效質量矩陣；K為流體等效剛度矩陣；為單元節點壓力。

方程（1）求解過程與結構模態的振動方程一致，所以通過方程（1）可得聲腔波動的特征方程如（2）所示，通過方程（2）即可計算得到聲腔模態的頻率。

K?λMp= 0 （2）

2 聲腔模態有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文通過Hypermesh 前處理軟件對聲腔進行了網格模型建立，通過Nastran軟件對聲腔進行了模態分析[3]。設計前期基于車身內飾造型面和白車身概念數據進行聲腔建模，整體聲腔模型采用實體網格建模，設置為流體單元。

目前針對車身聲腔模態的有限元建模方法主要有三種形式，差別在于如何考慮座椅和儀表臺的建模。

方法一：聲腔模型僅由車內空腔一個整體組成，如圖1所示。整體聲腔模型定義為流體材料屬性，空氣密度為1.29 kg/m3，聲速為340 m/s。

圖1 車身整體聲腔模型

方法二：聲腔模型由內部座椅和其余車內空腔兩部分組成，如圖2所示。基于聲音在不同介質中的傳播速度不同，根據經驗將座椅中的空氣密度設置為空氣的10倍。基于空氣的可流通性，座椅模型表面和內部聲腔通過共節點處理。

圖2 帶座椅的聲腔模型

方法三：聲腔模型由內部座椅+除去主副儀表臺部分的車內空腔兩部分組成，相比方法二，有些學者認為儀表臺無法進行空氣流通，在整體空腔的基礎上把前部儀表臺部分區域刪除，不予考慮，模型如圖3所示。

圖3 考慮座椅除去儀表臺的聲腔模型

根據工程實際情況，儀表臺上部表面區域與車內整體聲腔無法形成空氣流通，但是主儀表臺下部是開口的，與車內整體聲腔相互連通，為此本文提出了一種更接近實際情況的建模方法，建立儀表臺模型，儀表臺模型下部與整體聲腔共節點處理，其他表面區域為自由邊界，如圖4所示。儀表臺內部空氣通過下部與整體空腔流通，內部空氣屬性與整體空腔一致。

圖4 儀表臺建模方法

新的建模方法中聲腔模型包含內部座椅、主副儀表、除去座椅和主副儀表臺的車內其余聲腔三個部分，整體模型如圖5所示。

圖5 考慮座椅和儀表臺的聲腔模型

2.2 仿真分析結果

針對某車型車內聲腔，使用以上四種分析方法分別建立了不同的聲腔模型，并對每個模型的前200 Hz模態進行了計算。聲腔一階縱向模態是實際設計中重點關注的指標，因此本文重點對該模態進行了對比，如表1所示。

表1 聲腔模態仿真分析結果

分析方法頻率/Hz振型圖 方法一55.15 方法二50.15 方法三70.14 新方法46.03

由表1結果可知，四種方法計算得到的模態結果和振型均存在較大差異。方法三計算得到的結果為70.14 Hz，數值最大，與其他三種方法之間的差異也最大；方法一和新方法與方法二之間存在±5 Hz的差別；新方法計算得到的模態結果為46.03 Hz，數值最小。由表1中振型可以看出方法二和方法三較為接近，與方法一和新方法的振型均有較大差異。

3 聲腔模態試驗驗證

3.1 測試模型建立

為了驗證新方法分析結果的準確性，在半消聲室內對某車型車身聲腔模態進行了物理試驗測試[4]。在行李箱處使用中低頻聲源進行白噪聲激勵。車輛門窗關閉，從前到后布置6排5列傳感器，共189個測點，如圖6所示，通過移動聲傳感器的位置，測試聲響應。

圖6 傳感器位置

3.2 測試結果

車身聲腔模態物理試驗測試得到聲腔一階縱向模態為46.5 Hz，頻率響應曲線如圖7所示。新的聲腔模態分析方法得到的一階縱向模態為46.03 Hz，與試驗測得的結果相比誤差為?1%，與其他分析方法結果相比結果更準確，精度更高。

圖7 試驗測試結果

試驗測試與新方法分析得到的振型對比如圖8所示，振型也基本一致。

圖8 試驗和仿真一階縱向模態振型對比

4 結論

本文提出的考慮儀表臺模型的車身聲腔模態分析方法將儀表臺與整體聲腔連通部分共節點建模，建模更加合理，進一步提升了分析模型的完整性和準確性。

通過聲腔模態物理試驗對實際車身聲腔模態進行了測試，試驗得到的一階縱向模態與新方法分析的結果高度吻合，驗證了該方法的有效性，為車身聲腔模態精確分析提供了重要指導意義。

[1] 卓建明.某客車車身結構模態與聲腔模態分析[J].客車技術與研究,2017,39(04):46-48.

[2] 劉成武,黃鼎鍵,鐘勇.基于NVH的車內聲腔模態分析[J].福建工程學院學報,2009,7(04):347-350.

[3] 章超,劉潤琴,董婷.基于Hypermesh的車身空腔模態仿真分析[J].汽車實用技術,2018(16):273-274.

[4] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動理論與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2006.

Research on the Finite Element Analysis Method of the Car Body Sound Cavity Mode

LU Yuanyan, JIA Chao, YUAN Xiaoju

( Anhui Jianghuai Automotive Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The acoustic cavity mode of the vehicle body is an important factor in the NVH performance design of the vehicle, and the accurate analysis of the acoustic cavity mode is of great significance to the early performance design. In this paper, the in-vehicle acoustic cavity modal modeling method is deeply studied, and the three existing acoustic cavity modeling methods are compared, and a new vehicle body acoustic cavity modal analysis method that considers the air circulation under the instrument panel is proposed. The actual modal test is carried out, and the test results verify that the new method has high accuracy.

Cavity mode; Vehicle body; Finite element analysis; Modal test

U467.1

A

1671-7988(2021)24-94-03

U467.1

A

1671-7988(2021)24-94-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.021

盧元燕（1984—），女，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，主要研究方向：汽車NVH性能設計，車身CAE分析。