劉 偉Liu Wei
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阻尼材料在汽車NVH開發(fā)中的應用
劉 偉Liu Wei
(長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北 保定 071000)
車輛NVH性能是汽車研發(fā)中一項重要指標,車身阻尼結(jié)構(gòu)的振動和吸隔音特性是影響車內(nèi)空腔聲學響應的重要因素。以國內(nèi)某車型為例闡述阻尼材料在車輛NVH開發(fā)中的具體應用,通過對阻尼材料的選材及結(jié)構(gòu)優(yōu)化,降低車內(nèi)關(guān)鍵頻率段的噪聲聲壓級,提升車內(nèi)空腔的聲學品質(zhì)。
阻尼;聲學;優(yōu)化
隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展,客戶對汽車性能要求與日俱增,對車內(nèi)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(yè)發(fā)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(zhì),從而提升車輛在市場中的競爭力,是車輛NVH開發(fā)工作不可缺少的重要因素。
國內(nèi)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(jié)構(gòu)基本固化需要通過優(yōu)化阻尼板來降低車內(nèi)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(nèi)聲腔的板件的法向振速為輸入,計算該系統(tǒng)在場點聲壓響應各峰值的ATV,在發(fā)動機的懸置點處加上力的頻譜作為激勵,利用車身模態(tài)分析結(jié)果,采用模態(tài)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(nèi)NVH性能。
1.1 車內(nèi)聲學響應分析機理
外力激勵引起的車內(nèi)聲壓響應是振動在車身結(jié)構(gòu)和聲腔的噪聲傳遞函數(shù),通過傳遞函數(shù)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(nèi)的聲壓響應,從而得到車內(nèi)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(fā)動機激勵引起的車內(nèi)聲學響應,分析模型為聲腔和Trimbody的耦合模型,只考慮結(jié)構(gòu)和空腔的聲學響應,不考慮內(nèi)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(wǎng)格建立空腔體網(wǎng)格單元,并考慮儀表板、前圍板、座椅等對空腔模態(tài)的影響。
車身Trimbody模型主要考慮發(fā)動機、儀表板、轉(zhuǎn)向盤、座椅、開閉件、風擋玻璃、車窗、前后大燈、內(nèi)外飾、電器元件等質(zhì)量對車身的影響,其中內(nèi)外飾、電器元件等采用質(zhì)量點單元模擬,其他均采用有限元網(wǎng)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(jié)構(gòu)的有限元模型,以便對表面阻尼處理結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)動態(tài)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(xiàn)出阻尼結(jié)構(gòu)各層之間協(xié)調(diào)關(guān)系,使各層之間在整個結(jié)合面上位移協(xié)調(diào),具有單元總數(shù)少、運算省時、精度高等優(yōu)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(fā)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(yōu)化
1.4.1 聲學靈敏度分析
在車身壁板阻尼層結(jié)構(gòu)聲學靈敏度分析的基礎(chǔ)上對阻尼層結(jié)構(gòu)的組合進行優(yōu)化,使得在關(guān)鍵頻帶下車內(nèi)聲壓級最小,實現(xiàn)車內(nèi)降噪。
建立數(shù)學模型,選取關(guān)鍵頻率段80~130 Hz,對阻尼層結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,將此頻率段的駕駛員右耳傳遞函數(shù)降至55 dB以下。
1.4.2 設(shè)計變量
以不同結(jié)構(gòu)的阻尼層厚度為設(shè)計變量參數(shù),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(fā)泡型、自粘型阻尼;4為車門內(nèi)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(zhì)量最小,目標值為駕駛員右耳聲壓值低于55 dB。
1.4.4 優(yōu)化結(jié)果
優(yōu)化前、后阻尼材料的厚度變化見表1。
表1 阻尼材料厚度優(yōu)化結(jié)構(gòu) mm
設(shè)計變量優(yōu)化前優(yōu)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(yōu)化后車身阻尼板質(zhì)量降低1.6 kg,后隔物板、車門內(nèi)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(nèi)噪聲貢獻較大,靈敏度較高。
仿真分析結(jié)果顯示優(yōu)化后在80~130 Hz頻率段內(nèi)駕駛員右耳噪聲傳遞函數(shù)(Noise Transfer Function,NTF)有明顯降低,總體在55 dB以下。其他頻率段內(nèi),傳遞函數(shù)也有不同程度降低,基本能夠保證在55 dB以下,如圖3所示。
2.1 阻尼材料厚度修正
基于仿真分析優(yōu)化結(jié)果及現(xiàn)有產(chǎn)品實際厚度,修正車身阻尼板厚度從而實現(xiàn)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(jié)果 mm
設(shè)計變量優(yōu)化前優(yōu)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(jù)修正結(jié)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(yōu)化前進行效果對比,客觀測試數(shù)據(jù)顯示,在問題頻率100~140 Hz范圍內(nèi)噪聲峰值下降2~3 dB(A),主觀評價車內(nèi)嗡嗡聲基本消除,車內(nèi)噪聲環(huán)境改善顯著,滿足設(shè)計要求。車內(nèi)噪聲測試數(shù)據(jù)如圖6所示。
1)車身阻尼材料的合理使用能夠降低100~140 Hz范圍的車內(nèi)噪聲水平;
2)仿真軟件能夠開展阻尼材料分布及厚度優(yōu)化工作,能夠快速提出優(yōu)化方案,實車驗證說明仿真分析結(jié)果的有效性,大大縮短開發(fā)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(nèi)噪聲,為提升車輛NVH品質(zhì)提供了設(shè)計方向。
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1002-4581(2017)03-0052-03
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10.14175/j.issn.1002-4581.2017.03.014