（机械工程专业论文）汽车关门噪声仿真研究.pdf

硕 ：学位论文 摘要 汽车关门声音的品质直接影响到顾客决定是否购买该车。影响关门声音的因 素有很多，主要包括门锁结构，胶条结构及车门板件的结构等。目前国际上评价 关门声品质的方法主要分为主观评价法和客观评价法。主观评价法是通过主观评 价实验给汽车关门声品质打分，客观评价法是进行客观的声品质实验测得相关的 心理学参数( 响度、尖锐度等) 来评价汽车关门声品质的好坏。两种方法皆是在 生产出样车后来评价，并同样采用试验的方法来提高汽车关门声品质。目前缺少 在前期设计阶段针对汽车关门噪声的设计方法及流程。振动板件的减振降噪设计 是汽车工程的重要设计内容之一，通过减振降噪优化设计，可以在设计阶段通过 对设计模型的定量修改获得理想的减振降噪效果。本文在企业合作项目“车门系 统结构设计”支持下，针对影响关门声音因素之一的车门板件结构，研究建立一 套以减少汽车关门声音的声压级为目的，以设计修改车门板件的结构参数为手段 的设计流程及方法。主要研究工作有： 1 ) 由于车门的结构参数直接影响关门声音，而结构参数中各个板件的厚度是 重要且容易改变的设计参数，因此，本文以车门系统中重要的板件厚度为设计变 量，以关门过程中车门系统振动动能的均方根值最小化为目标进行优化设计。建 立了减小振动动能的响应面模型，用遗传算法对模型进行优化，得到了优化后的 板件厚度。 2 ) 为了验证优化后板件振动辐射出的噪声小于优化前，采用基于脉冲激励的 声辐射边界元法对车门系统在优化前、后的辐射的声压级进行数值分析，比较振 动优化后的降噪效果。结果表明，通过优化设计对板件厚度的修改，减小振动能 量，达到了降噪目的。 3 ) 企业根据实际情况制造了两辆样车，其中一辆样车车门各板件厚度与优化 前一致，另一辆与本文优化后车门板件的厚度只有0 0 2 m m 的差别。为了评价样 车的关门声，以一辆公认的关门声音品质较好的车为标杆车。通过实验的方法， 得出了响度值、尖锐度值及a 计权声压级的1 3 倍频程时频图，进而评价了这两 辆不同车门的样车和标杆车的关门声音品质。实验结果表明，对样车车门系统进 行修改之后，响度，尖锐度及a 计权声压级都比修改前有较大改善，车门修改后 的样车关门声音品质基本达到了标杆车的水平，证明了本文提出的针对汽车关门 降噪的结构优化设计流程的可行性与正确性。 关键词：有限元；边界元；试验设计；响应面；遗传算法；声辐射；声品质 汽屯关门噪声仿真研究 a b s t r a c t t h ed o o r s l a n l m i n gs o u n dq u a l i t yo fac a rd i r e c t l ya f f 色c tt h ed e c i s i o no ft h e c u s t o m e r sw h e t h e rt ob u yi t t h e r ea r eal o to ff a c t o r sa f 亿c t i n gt h ed o o 卜s l a m m i n g s o u n dq u a l i t y ，m a i n l yi n c l u d e ：l o c ks t r u c t u r e ，g l u es s t r u c t u r e ，t h ep l a t es t r u c t u r eo f t h ed o o ra n ds oo n a tp r e s e n t ，t h es o u n dq u a l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d so fd o o r c l o s i n g c a nb ed i v i d e di n t os u b j e c t i v ee v a l u a t i o na n do b j e c t i v ee v a l u a t i o n t h r o u g ht h e s u b je c t i v ee v a l u a t i o ne x p e r i m e n t ，w ec a nr a t et h es o u n dq u a l i t yo fd o o rs l a m m i n g a f t e rt h eo b je c t i v ee v a l u a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ep s y c h o l o g i c a lp a r a m e t e r s ( 1 0 u d n e s s ， s h a r p n e s s ) w h i c hc a ne v a l u a t et h es o u dq u a l i t yo fd o o r s l a m m i n gw o u l db eo b t a i n e d b o t ho ft h es u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o d sa r ea d o p t e da f t e rp r o d u c i n g t h es a m p l ev e h i c l e ，a n db a s e do ne x p e r i m e n t a lm e a n s b u tw es t i l ll a c kt h em e t h o d s u s e db e f o r ep r o d u c i n gt h es a n l p l ev e h i c l et oe v a l u a t et h es o u n do fd o o rs l a m m i n g t h ed e s i g no ft h en o i s er e d u c t i o no fv i b r a t i n gp l a t ea l r e a d yb e c o m e sa ni n l p o r t a n t c o n t e n to fa u t o m o t i v e e n g i n e e r i n gd e s i g n s t h r o u g ht h eo p t i m i z i n g d e s ig no f r e d u c i n gv i b r a t i o na n dn o i s eo ft h ed o o rp l a t e s ，w ec a nd os o m eq u a n t i t a t i v ec h a n g e s o ft h ed e s i g nm o d e lt oa c h i e v et h ed e s i r e de f f e c to fv i b r a t i o na n dn o i s er e d u c t i o ni n t h ed e s i g ns t a g e s u p p o 九e db yt h ep r o j e c tw i t ht h ee n t e r p r i s ec o o p e r a t i o n “s t r u c t u r e d e s i g no f d o o rs y s t e m ”，t h i st h e s i se s t l b l i s h e dad e s i g np r o c e s sa n dm e t h o di no r d e r t or e d u c et h es o u n dp r e s s u r el e v e lo fd o o r - s l a m m i n gb ym o d i f y i n gt h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r so ft h ed o o rp l a t e s t h em a i n l yw o r k sa r el i s ta sf o l l o w ： 1 ) a st h et h i c k n e s s e so f 也ed o o rp l a t e sw h i c h a r ea m o n gt h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r so fd o o rs y s t e md i r e c t l ya f f e c tt h es o u n do fd o o r - s l a m i n ga r ei m p o r t a n ta n d e a s yt ob ec h a n g e d ，a tf i r s t ，w eb u i l tar e s p o n s es u r f a c em o d e lw i t ht h et h i c k n e s s e s a s d e s i g nv a r i a b l e sa n dt h eo b j e c t i v eo fm i n i m i z i n gt h er o o tm e a ms q u a r eo fk i n e t i c e n e r g yi nt h ep r o c e s so fc l o s i n gd o o r ，a n dt h e n ，w eo p t i m i z e dt h em o d e lb yg e n e t i c a l g o r i t h m ，a tl a s t ，w eg o tan e ws e t o ft h i c k n e s s e so ft h ed o o rp l a t e sa f t e rt h e o p t i m i z a t i o n 2 ) i no r d e rt ov e r i f yt h en o i s er a d i a t e do u tf r o mt h eo p t i m i z e dp l a t e si sl e s st h a n b e f o f et h eo p t i m i z a t i o n ，w ed i ds o m en u m e r i c a la n a l y s i s e so ft h es o u n dp r e s s u r el e v e l r a d i a t e do u tf r o mt h eo r i g i n a lp l a t e sa n dt h eo p t i m i z e dp l a t e sb yt h ea c o u s t i cr a d i a t i o n b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o db a s e do np u l s e de x c i t a t i o n ，a n dt h e n ，w ec o m p a r e dt h e n o i s e s t h er e s u l t ss h o wt h a tw ea c h i e v e dt h en o i s er e d u c t i o nb yt h eo p t i m i z a t i o n 3 ) b a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h ee n t e r p r i s ep r o d u c e dt w os a m p l ec a r s o n eo f t h ec a r sh a dt h es a m et h i c k n e s s e so fd o o r p l a t e sw i t ht h e m o d e lb e f o r et h e o p t i m i z a t i o n ， t h e r ea r eo n l yo 2 m md i f 佗r e n c eb e t w e e nt h eo t h e ro n ea n dt h e o p t i m i z e d m o d e l i no r d e rt oe v a l u a t et h e s a m p l e c a r s ss o u n d q u a l i t y o f d o o r - s l a m m i n g ，w eg o tac a rw i t hg o o ds o u n dq u a l i t ya st h eb e n c h m a r kc a r a f t e r m a k eas o u n dq u a l i t ye x p e r i m e n t ，w eg o tt h el o u d n e s s ，s h a r p n e s s ，s o u n dp r e s s u r e l e v e lw i t ha - w e i g h t e da n do n e t h i r do c t a v et oe v a l u a t et h et w os a m p l ec a r sa n dt h e b e n c h m a r kc a r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d i 6 e dc a rh a dl o w e r l o u d n e s s ，s h a r p n e s sa n ds o u n dp r e s s u r el e v e lw i t ha - w e i g h t e dt h a nb e f b r e ， t h e m o d i f i e dc a r ss o u n dq u a l i t yo fd o o r - s l a m m i n gh a v er e a c h e dt h el e v e lo fb e n c h m a r k c a r ， w h i c hp r o v e dt h ep r o c e s so fs t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o nd e s c r i b e di nt h i st h e s i s a i m i n gt or e d u c et h en o i s eo fd o o r - s l a m m i n gi sf e a s i b l ea n dc o r r e c t k e yw o r d s ： f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ； e x p e r i m e n t a l d e s i g n ；r e s p o n s es u r f a c e ； g e n e t i c a l g o r i t h m ； s o u n dr a d i a t i o n ；s o u n dq u a l i t y i v 汽车关门噪声仿真研究 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 10 图5 1 1 图5 1 2 图5 13 图5 1 4 图5 15 插图索引 本文的研究思路5 针对辐射噪声的车门结构优化设计流程6 声辐射分析流程7 2 因素5 水平全因子试验设计1 2 2 变量2 5 样本点的拉丁超立方体抽样设计方案1 5 单点交换18 车门结构有限元模型图2 0 车门系统部件有限元模型图2 0 采用遗传算法的优化过程2 5 动力学分析流程【3 引2 8 边界元模型3 3 车门系统优化前2 0 0 h z 处速度云图3 4 车门系统优化后2 0 0 h z 处速度云图一3 4 2 0 0 h z 处声传递向量( a t v ) 云图3 5 a 计权修正曲线3 5 优化前、后车门系统辐射声压级对比3 6 纯音标准等响曲线( 双耳自由声场测听) 3 8 标杆车前门在不同作用力下响度曲线4 2 标杆车后门在不同作用力下响度曲线4 2 1 0 0 工况下三辆车前门响度曲线4 3 1 0 0 工况下三辆车后门响度曲线4 4 标杆车前门在不同作用力下尖锐度曲线4 5 标杆车前门在不同作用力下尖锐度曲线4 5 1 0 0 工况下三辆车后门尖锐度曲线4 6 1 0 0 工况下三辆车后门尖锐度曲线4 6 标杆车前门在不同作用力下a 计权1 3 倍频时频图4 8 标杆车后门在不同作用力下a 计权l 3 倍频时频图4 8 标杆车前门在不同作用力下a 计权1 3 倍频图( p e a kh o l d ) 4 9 标杆车后门在不同作用力下a 计权1 3 倍频图( p e a kh 0 1 d ) 4 9 两辆样车及标杆车的a 计权1 3 倍频时频图5 0 两辆样车及标杆车前门的a 计权1 3 倍频图( p e a kh o l d ) 5 0 v i i 硕 ：学位论文 图5 1 6两辆样车及标杆车的a 计权l 3 倍频时频图5 1 图5 1 7 两辆样车及标杆车后门的a 计权1 3 倍频图( p e a kh o l d ) 5 1 图6 1减小关门噪声设计流程图5 4 汽下关门噪声仿真研究 附表索引 表2 1 正交试验表厶( 2 6 ) 13 表2 2 均匀试验表以( 5 5 ) 1 4 表3 1车门主要部件编号及名称2 1 表3 2 模型材料及参数一2 1 表3 3设计变量描述2 2 表3 41 次多项式拉丁抽样方案及响应结果2 3 表3 5一次多项式基函数及对应的系数2 3 表3 6二次多项式基函数及对应的系数2 4 表3 7 三次多项式基函数及对应的系数2 4 表3 8 响应面模型的响应精度一2 5 表3 9优化前后设计变量值及总动能对比2 5 表4 1频率响应分析的直接法与模态法选择准则3 0 表4 2模型材料参数3 2 表5 1声压级与响度的关系3 8 表5 2临界频带率与频率的关系3 9 表5 3标杆车关门声响度峰值4 l 表5 4 样车车门结构修改一4 3 表5 5l o o 工况下三辆车关门声响度峰值( 单位：s o n e ) 4 3 表5 6标杆车关门声尖锐度峰值一4 4 表5 71 0 0 工况下三辆车关门声尖锐度峰值( 单位：a c u m ) 4 7 表5 8标杆车a 计权声压级峰值及对应中心频率4 7 表5 9 标杆车及样车a 计权声压级峰值及对应中心频率5 0 硕f ：学位论文 1 1 选题背景与意义 第1 章绪论 噪音是由于振动产生，而汽车噪音中一个重要的声源就是结构振动。于是， 振动结构的减振降噪设计便成为了汽车降噪设计中的重要内容之一。目前，有限 元和边界元方法在结构的振动及声学数值仿真中的应用已经非常广泛。以此为基 础，用优化算法在结构设计阶段对结构进行修改以减小结构振动，从而降低噪声 己成为工程中重要的研究课题之一i l ，2 j 。 随着汽车行业的高速发展，人民生活水平的不断提高，顾客对汽车的舒适的 要求也随之提高，汽车的n v h 性能显得越来越重要。n v h 是噪声( n o i s e ) ，振动 ( v i b r a t i o n ) 和声振粗糙度( h a r s h n e s s ) 三个英文单词的缩写，其中声振粗糙度指的是 振动噪声的品质，描述的是人们对振动噪声的主观评价。汽车关门的声音不只具 有噪声特性，更多的还是具有品质的特性，属于声振粗糙度的范畴，从而产生一 个新的词语一“声品质”。声品质( s o u n dq u a l i t y ) 是人们对声音事件主观感受的 客观描述。目前汽车噪音的研究主要有两个方面：一是客观评价的研究，即寻求 噪声声学的心理学，物理学属性；二是主观评价的研究，即人们对于噪声声品质 从主观感知的角度进行描述评价。在汽车行业亦有两种评价指标：一是客观评价 指标，例如：按照通过噪声法规测量方法测得的轿车的通过噪声声压级应在7 4 d b 以内；二是主观评价指标，例如：大多数的汽车企业都会找不同年龄段人群组成 一个主观评价小组，对企业汽车产品噪声进行主观评价打分，评价分数达到要求 才视为合格。 在传统的声学研究中，通常用计权声压级来评价声音的大小，最常用的是a 计权声压级。以往在汽车产品设计时往往只注意如何减少a 计权声压级的大小， 而忽略了噪声给人们的主观感受。在2 0 世纪9 0 年代，人们开始意识到，即使是 a 计权声压级相同的声音也可以给人不同的感受。例如：音乐声压级即使大一些， 人们也不会感到烦躁，但是一些简单金属件直接的摩擦声即使声压级不大，也会 让人感到厌烦。为此，国内外的许多专家学者，汽车厂商和研究机构对声品质做 了大量的研究i jj 。 目前，企业对汽车关门声品质的评价及改善仅限于在制造出样车后，依靠主 观评价实验及客观心理学参数( 响度、尖锐度等) 的测量实验，凭借专家丰富的 工程经验，从而制定整改措施，在多轮反复整改和实验验证后，解决汽车关门声 品质问题。由此可以看出，声品质问题的解决集中在制造出样车后，这时模具已 汽车关门噪声仿真研究 经确定，如果需要对结构做大的修改，则必然会导致模具的重新制造，大量增加 生产资金和时间成本。但若是在样车设计阶段对汽车关门声音进行初步的预测， 对汽车关门声音品质进行优化，则可以大大减少生产成本。 本文结合某企业开发的一款样车中的车门系统项目，以减少汽车关门过程中 板件振动噪声为目标，在产品设计阶段对汽车车门系统的结构进行优化设计，建 立了车门系统声辐射噪声的优化设计流程。对生产出的样车进行了关门声品质实 验，得到了关门声的响度、尖锐度及声压级，实验结果验证了本文建立的车门系 统声辐射噪声的优化设计流程的可行性。 1 2 相关领域研究现状 1 2 1 汽车关门噪声研究现状 1 ) 实验方法 目前，汽车关门噪声分折主要是通过实验的方法来解决，在样车制造出来后， 进行关门噪声的实验，并且主要依据专家丰富的工程经验来提出修改措施，之后 进行整改，再进行第二轮实验，如此反复实验直到达到设计目标为止。由此可以 看出，实验的反复次数主要取决于专家水平及关门噪声问题的难易程度，故而成 本较高，时间不确定。但优点也是明显的，可以直接有效的解决关门噪声问题。 2 ) 实验与仿真相结合方法 由于实验的成本较高，且整改措施依赖专家水平，因此出现了实验与仿真相 结合的方法。该方法先通过实验手段测得仿真所需的边界条件，然后将测得的边 界条件( 力或者速度) 加入到仿真模型中，最后采用数值分析法( 常用边界元法) 计算出车门系统辐射的声压值。实际应用中，边界条件是通过实验直接测得车门 外板和玻璃表面的振动速度，或者是测得门锁处及门框周边几个离散点的碰撞力。 若测得的是振动速度，则可以直接加入到汽车车门系统声辐射边界元模型中计算 辐射的声压值；若测得的是门锁等处的碰撞力，则先将该力作为激励加入到有限 元模型中，通过动力学分析中的频率响应法计算出车门外板及玻璃表面有限个点 的振动速度响应值，之后将计算的速度响应加入到车门系统声辐射边界元模型中 计算辐射的声压值。具体的分析步骤可以参考文献1 4 】。显而易见，这种实验与仿 真相结合建立混合模型的方法相对于纯实验的方法更加节约成本与时间，修改措 施可以马上在仿真模型上得到实施，而不必重复做多次实验。 3 ) 仿真方法 虽然实验与仿真相结合的方法能够减少大量的工作量，但是仍不能在前期设 计阶段就对汽车关门辐射噪声的声压值做出预测。本文方法是一种仿真方法，它 与建立混合模型法相比唯一的不同之处在于门锁及门框周边的碰撞力边界条件也 硕f j 学位论文 是通过仿真计算得出，这样可以不需要制造样车，完全通过仿真手段计算出汽车 关门所噪声辐射出的声压值。本文方法不仅要计算出汽车关门辐射出的声压值， 更要通过结构优化方法对汽车车门的结构进行优化，从而达到减少汽车关门噪声 的目的。 噪声是由于振动产生，所以以减少噪声为目标的结构优化设计，一般是以结 构振动产生的声学响应( 声压级) 为目标，但优化模型中包括声学响应，使得每 次优化迭代都要进行声学数值计算，并计算声学指标对结构参数的灵敏度，这种 结构一声学优化过程复杂，一般需要集成利用振动有限元分析、声学边界元数值 分析、声学一结构灵敏度及优化算法。 结构振动与场点声压之间的关系可以通过式( 1 1 ) 表示： p = 4 抑和。( 1 1 ) 式中p 是声场中的声压向量；4 珊是声传递矩阵( a t m ，a c o u s t i ct r a n s f e r m a t r i x ) ； ，。是结构表面法线方向上的振动速度。而声传递矩阵仅与结构参数有关 ( 见本文第四章) ，可见只要能将结构振动的速度降低，则必然能将结构振动辐射 的噪声降低，达到降低结构噪声的目的。同时，结构振动的优化也比结构声学的 优化更加容易实现，更适宜于工程应用。结构振动的优化过程主要分为三个步骤： 一是对结构振动进行数值仿真计算；二是计算结构振动响应对结构参数的灵敏度； 三是运用优化算法对目标进行优化。 1 2 2 声品质研究现状 早在1 8 8 3 年，德国心理学家c s t u m p f 在他的著作t o n p s y c h o l o g i e 就提出 了声特性( s o u n dc h a r a c t e r ) 的概念，用于描述具有相同声压级不同感受的声音事件 的物理特性。而心理学领域通过对声音感知特性的研究，在2 0 世纪提出了响度、 粗糙度、尖锐度、抖动度等心理学参数。迄今为止，学术界公认的声品质概念是 由德国学者b l a u e r t 和b o d d e n 在19 9 4 年发表的文章中提出的：声品质是在特定 的技术目标或任务内涵中声音的适宜性1 5 j ，它是人们对于声音事件主观感受的适 当描述。 由于声品质是描述主观感受的，所以主观评价比客观评价要更为准确。主观 评价往往是通过问卷调查或主观评价实验等形式，并对实验数据进行统计分析， 从而获得适当的术语来描述目标声音的主观感知特性。常用的声品质主观评价方 法有等级评分法、排序法、语义细分法、幅度调节法、成对比较法等等【6 7 ，引。 尽管主观评价方法比较准确，但由于其花费的时间和人力比较多，需要专家 做最后的分析与判定，故而客观评价法在汽车声品质实验中比较常用。声品质客 观评价是指利用可测量、客观的物理量对声品质进行衡量和描述，从而使声品质 得以量化的过程，通常情况下是用心理声学参数值作为客观评价参量。客观评价 汽下关门噪声仿真研究 主要是从时频分析和心理声学参数等相关角度来描述声品质特性，同时利用统计 分析的基本方法对主客观评价结果进行相关性分析以及多元线性回归分析等。 1 9 3 3 年，贝尔实验室的两个研究员h a r v e yf i e t c h e r 和w i l d e nm u n s o n 建立了等响 度曲线，随后1 9 5 6 年，s t e v e n s 提出了响度指数计算方法，1 9 6 0 年，z w i c k e r 进 一步将人耳的听觉特性考虑了进来，给出了临界频带的概念，并且提出了响度和 特征响度的计算方法。1 9 8 4 年a u r e 把响度、粗糙度、锐度和音调组合起来，提 出了感觉愉悦度的概念，随后在1 9 9 1 年，h u s s a i n 提出烦恼度指数的计算方法l 9 1 。 h o e l d r i c h 和p f l u e g e r 在1 9 9 9 年对粗糙度的计算方法提出改进，使其适合于对车 内噪声声品质进行应用研究【l o ，同年，美国d e l p h i 公司提出了开发车辆产品声 品质标准的感观方法，将响度、粗糙度、抖动度和峰值作为标准的客观参量对汽 车声品质进行了评价标准的研究【1 2 】。a m m a n 和s c o t t 等人在主观评价结果研究基 础上，采用了响度、响度在时域的标准偏差、抖晃度三个参量对启动时的车内噪 声声品质进行了客观量化计算，取得了较好的结果i l 引。随着研究的进一步深入， 人们渐渐发现低频噪声对于声品质的研究非常重要，因此，许多工作都是以低频 噪声为主要研究范围。h a s h i m o t o 提出将3 0 0 h z 以下的低频噪声在耳膜处产生的 声压感受称为轰鸣感，通过研究发现，稳态行驶时心理声学轰鸣级的模型结果与 轰鸣感相关性较好，而在加速时，提出采用轰鸣指数来评价；针对怠速以及发动 机低转速加速情况下的车外噪声，采用脉冲度来评价i l 引。2 0 0 2 年o t t o 在对发动 机声品质研究中提出粗糙度应具有时围内抖晃的特征，并且根据发动机转速信息 相关的阶次和半阶次特征提出了粗糙度计算模型l l5 | 。2 0 0 7 年，韩国仁荷大学 s u n g j o n gk i m 和s a n g k w o nl e e 等人对客车加速时车内声品质客观评价进行了 研究，提出了轰鸣声和隆隆声是主要的声特征并且和响度、尖锐度、粗糙度有相 关性，最终以主观评价结果为基础，利用人工神经网络的方法实现了声品质的客 观评价【1 6 ，l7 1 。 1 3 本文研究思路及主要内容 通过综合分析汽车关门噪声及声品质研究现状，可以看出： 1 1 目前对汽车关门噪声及声品质的改进研究主要是在制造出样车后进行，尚 无系统的在产品前期设计阶段对汽车关门噪声及声品质进行分析和优化的方法。 2 1 采用实验方法进行汽车关门噪声及声品质的改进研究需要昂贵的实验设 备，涉及到结构修改时往往要重新开发模具，产品开发成本高。 3 ) 采用实验方法进行汽车关门噪声及声品质的改进研究实验周期较长，且对 实验结果的分析依赖专家水平。 因此，为了降低产品开发成本，缩短产品开发周期，迫切需要研究在产品前期 设计阶段对汽车关门噪声及声品质进行分析和优化的方法。本文针对这一工程实 硕 ：学位论文 际需求，以减小汽车关门噪声为目标，通过优化关门过程中的振动能量来减小关 门噪声，并通过仿真计算车门系统的声压辐射值对优化结果进行验证，从而建立 起在前期设计阶段对汽车关门噪声进行仿真分析的流程，达到减小关门噪声的目 的。为了进一步验证该流程的可行性，进行了后期的声品质实验。本文的总体研 究思路如图1 1 所示。 图1 1本文的研究思路 论文各章主要内容如下： 第一章：绪论 阐述了论文的研究背景与研究意义，总结了相关领域的研究现状。确定本文 主要研究内容，简要介绍了全文内容安排。 第二章：关门碰撞仿真优化理论基础 阐述了进行汽车关门碰撞振动能量分析及优化设计所涉及到的理论，主要包 括：显式有限元算法的基本理论、优化问题的定义以及评定指标、试验设计的基 本理论、基于近似模型( 主要是响应面法) 的近似求解技术和结构优化算法( 主要是 遗传算法) 等。这些理论的应用为：汽车关门碰撞过程的仿真是基于显式有限元技 术，通过仿真分析计算出振动能量；而汽车关门振动能量的优化设计中，必须在 选定的设计空间内确定一系列离散的设计样本点，因此，就用到了试验设计的取 点方法；根据试验设计得到的采样值，建立了基于响应面的近似模型；最后，在 汽午关门噪声仿真研究 近似模型的基础上应用遗传算法对目标进行优化。 第三章：某车门关门碰撞问题仿真及优化设计 本章是对第二章所述理论的具体应用。在某企业某款新车型的车门系统结构 设计中，通过优化车门结构参数中主要板件的厚度，找到一组板件厚度值，使得 汽车在关门碰撞过程中的振动能量达到最小。主要设计流程如图1 2 表示。 建立关门碰撞仿真模型并计算振动能量 土 试验设计采样点 上 建立基于响应面的近似模型 上 基于遗传算法对近似模型进行优化 图1 2 针对辐射噪声的车门结构优化设计流程 第四章：基于模态频响法的车门系统边界元声辐射分析 本章研究仿真计算出优化前后两种车门结构的声压辐射值，从而对比优化前 后车门系统辐射出的声压值。主要分析步骤如下： 1 ) 建立基于模态频率响应法的动力学分析模型，分别对第三章中优化前后的 两种不同的车门结构进行模态响应分析，计算出了车门外板和玻璃表面的振动速 度； 2 ) 建立车门声压辐射边界元模型，将第一步计算出的速度边界条件加入到边 界元模型中，根据间接边界元法，计算出了优化前后车门辐射出的声压值； 3 ) 将声压值转化为声压级后，进行了对比，发现优化后的车门系统辐射的声 压级明显低于优化前，验证了优化结果的可行性与正确性。 声辐射分析流程如图1 3 所示： 硕卜学位论文 图1 3声辐射分析流程 第五章：关门噪声声品质实验及结果分析， 本章的目的是通过汽车关门声音的声品质实验来对比分析两辆不同车门板件 厚度的样车及一辆标杆车的声品质特性。主要内容包括：响度、尖锐度这两个心 理学参数的分析和对比；传统的关门声声压级时频分析结果对比。由于实际情况 与优化结果有比较小的差异，不能完全验证优化结果的正确性，但是实验结果表 明主要车门板件的厚度越薄，则声品质越好，这与优化后的板件比优化前板件薄 的结果相一致，故而初步验证明了优化设计结果的可行性与正确性。 汽车关门噪声仿真研究 第2 章关门碰撞仿真优化理论基础 本章主要阐述了进行汽车关门碰撞仿真及优化设计所涉及的理论，主要包括 显式有限元技术、试验设计方法、建立近似模型的响应面法以及遗传算法等。显 式有限元技术用于汽车关门碰撞仿真，从而得到汽车关门过程中的振动能量；由 于计算一次汽车关门碰撞需要时间过长，所以需采用试验设计的方法，在选定的 设计空间内确定一系列离散的设计样本点；根据试验设计所采集的样本点，基于 响应面法建立近似模型，应用遗传算法优化关门碰撞的振动能量。 2 1 基于显式有限元技术的关门碰撞仿真 2 1 1 显式有限元算法基本理论 有限元法的基本思路可以归结为：将连续系统分割成有限个分区或单元，对 每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法加以组合，从而形成原有系 统的一个数值近似系统，也就是形成相应的数值模型【1 8 】。 本文在关门碰撞分析中使用的是l s d y n a 软件。1 9 8 8 年j 0 h a l l q u i s t 创建 l s t c 公司，推出l s d y n a 程序系列，并于1 9 9 7 年将l s d y n a 2 d 、l s d y n a 3 d 、 l s t o p a z 2 d 、l s t o p a z 3 d 等程序合成一个软件包，称为l s d y n a 。由 j o h a l l q u i s t 主持开发完成的d y n a 程序系列被公认为是显式有限元程序的鼻祖 和理论先导。 在用显式有限元分析软件分析关门碰撞时，将关门碰撞视为一般的接触碰撞 问题，其动力学方程可以表述为【1 9 】 平衡方程 q + z = 倒f ，+ ， ( 在y 域内) ( 2 1 ) 物理方程 q ，= 口删& ， ( 在矿域内) ( 2 2 ) 边界条件 = 瓦( 在s ，边界上)( 2 3 ) 正，玎，= z( 在最边界上)( 2 4 ) q ，玎，2 ，l 仕6 口开上j 【z 4 ) 初始条件牌嬲蒜盎 仁5 ， 式中p 为质量密度；是阻尼系数；y 为所分析物体的体积；p 删为应力一 应变关系，对于各向同性线弹性材料，其表达式为= 2 g 以万，+ 五万，“，这里g 和见为拉梅常数；瓯，& 分别为位移边界和力的边界；，为体力；霉为面力，其中 包括接触摩擦力；”“川分别是对时间f 的一次和二次导数，即分别表示f 方向 的速度和加速度：甜“，p “，分别代表阻尼力和惯性力。 硕f ：学位论文 式( 2 1 ) 和式( 2 4 ) 的等效积分形式的g a l e r k i n 提法可以表示为 上万( ，+ z 一f l ，一“) d y k 艿“，( _ 一z ) d s = o ( 2 6 ) 对上式的第一项进行分部积分，并代入物理方程，则上式可写为 工( j 矗见。 + 万，+ 以址，) d 矿= 工6 印矿+ t 万和s ( 2 7 ) 对式( 2 7 ) 进行有限元离散，就可得到如下的等效弱形式 朋x ( ，) 2p f c x ( ，) ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 就是采用拉格朗同增量描述的显式有限元程序l s d y n a 的系统求解 方程，其中m 为总体质量矩阵；戈( f ) 和j ( ，) 分别为整体节点的加速度和速度向量； p 为整体载荷向量；f 为单元应力场的整体等效节点力向量；c 为总体阻尼矩阵； 矩阵和向量的具体形式可参考文献【19 1 。 采用中心差分法对式( 2 8 ) 进行时间积分，其算法是 式中 碧c 乙，= m 一 p c 乙，一f c 乙，一c 艾( t 弓 文( 乙t = 戈( 乙一； + 三c 一。+ 乙，戈c 乙， c 2 9 ， x c 乙+ 。，= x c 乙，+ 乙爻( 乞+ ；) ：万一三二享：?+?：1： 且 会乏一支兰二乏j ， 。2 。， r l ：丢( 乙+ 。+ 乙) 【乙= ”+ - 一) 。 拉格朗曰增量描述中的舅( ) ，文【o 弓j 和x ( o + ) 分别是乙时刻的节点加速度向 量，f 。时刻的节点速度向量和o 。时刻的节点坐标向量。 ”。2 由于采用集中质量矩阵m ，运动方程组( 2 8 ) 的求解是非耦合的，不需要集合 成整体矩阵，因此大大节省了存储空间和求解机时，但是显式中心差分法是有条 件稳定的，只有当时间步小于临界时间步时稳定，即 ，o5 乒 ( 2 1 1 ) 饥t 缈 、 7 其中缈。为最大自然角频率，以梁单元为例来加以说明，例如梁单元的自然 汽车关门噪声仿真研究 频率缈栅= 2 ，可得梁的临界时间步长为 f ， 。= 二 ( 2 1 2 ) f 厅 其中，为梁单元的长度，c 为波传播速度，表达式为c = f 兰，取决于单元的 、p 材料特性，即弹性模量e 和密度p 。 2 1 2 接触碰撞算法 处理不同结构界面的接触一碰撞和相对滑动是l