（车辆工程专业论文）商用车eq4153驾驶室噪声研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着我国工农业生产、城市交通运输和旅游事业的蓬勃发展，我国汽车的保有量 近年来迅速增加，由此出现的车辆振动、噪声问题越来越多。汽车振动、噪声控制关 系到环境保护、汽车行驶平顺性和车辆的耐久性。如此同时，日益激烈的市场竞争迫 使汽车厂商都在努力缩短新车型设计与开始生产之间的周期。 统计能量分析( s e a ) 是个模块化方法，它运用能量流关系式对复合的、谐振的 组装结构进行动力特性、振动响应级及声辐射的理论评估，s e a 特别适用于高模态密 度的高频区传统的数值计算方法如有限元和边界方法对应力和振动建模获得了很大 成功，但对噪声应用存在明显的局限。实践证明，s e a 是一种很适合汽车噪声仿真分 析的方法。 本文系统的说明了如何乖j 用统计能量分析软件a u t o s e a 建立商用车驾驶室声振 仿真与试验混和分辛斥模型，建立了一套完整的3 d 建模和试验规范与方法，并对s e a 参数进行了深入的理论研究。 阐述了子系统划分的理论依据，建立了驾驶室的3 d 模型，提出了在实际建模过 程中子系统划分的一些原则。 对于s e a 参数如模态密度、内损耗因子、祸合损耗因子等，针对不同的结构类 型，简化了一系列的理论计算公式。对于参数内损耗因子，由于在a u t o s e a 中不提 供理论计算值，必须来自试验数据，所以给出了详细的试验方法测定了研究中所必 须的数据。 推导了将系统能量转化为各种动力学响应的计算公式，并将各种参数应用于3 d 模型，建立真正意义上的仿真模型，并对其进行求解，得出所研究驾驶室人耳附近子 系统的噪声水平，对结果进行了分析。 分析计算结果，得出系统主要的能量流，在此基础上提出有针对性的减振降噪措 施a 可以看出能够有效的降低驾驶室的噪声水平。本文的研究对如何应用统计能量法 以及a u t o s e a 软件进行声振研究、如何建立系统的仿真与试验混和分析模型、如何 有效的对商用车驾驶室进行有效的减振降噪有一定的指导意义及参考价值。 关键词：统计能量法( s e a ) 振动与噪声 内损耗因子能量流仿真 华中科技大学硕士学位论文 w i t ht h ef l o u r i s hd e v e l o p m e n t o f i n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，c i t y t r a f f i ct r a n s p o r ta n dt o u r e n t e r p r i s ei nc h i n a , t h ep o s s e s s i o no f a u t o m o b i l eo fc h i n ah a v es h a r p l yi n c r e a s e di nr e c e n t y e a r s a sar e s u l t ，m o r ea n d m o r ep r o b l e m sa b o u tv e h i c l en o i s ea n dv i b r a t i o nh a sa r i s e n t h ec o n t r o lo fv i b r a t i o na n dn o i s ei sv i t a lt oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n 、t h ea u t o sf l a t n e s s a n de n d u r a n c e a tt h es a m et i m e ，t h em a n u f a c t u r e r so fa u t oa r ec o n t r i v i n gt oc u r t a i lt h e p e r i o db e t w e e n m o d e l d e s i g na n d m a n u f a c t u r e + s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i si sam o d u l em e a s u r e ，w h i c hu s er e l a t i o n s h i po f e n e r g yf l o w t oe v a l u a t ed y n a m i c s ，v i b r a t i n gr e s p o n s el e v e la n ds o u n dr a d i a t i o no ft h e m u l t i p l ea n d s y n t o n i ca s s e m b l ys t r u c t u r e s e aa d a p tt oh i g hf r e q u e n c yz o n e ，e s p e c i a l l yi nh i g hm o d u l e d e n s i t y t r a d i t i o n a ln u m e r i c a lv a l u ea c c o u n t ，s u c ha sf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n db o u n d a r y m e t h o d ，h a v ea c q u i r e ds u c c e s si ns t r e s sa n dv i b r a t i o nm o d u l e ，b u ti th a so b v i o u s l yl i m i t s o nn o i s e a p p l i c a t i o n i ti sp r o v e d t ob es u c c e s s f u lb y p r a c t i c et h a ts e a i sa g o o dm e t h o d f o r n o i s ee m u l a t i o n a n a l y s e t h i sp a p e ri l l u m i n a t eh o wt ob u i l da n a l y s et h em o d u l eo fn o i s e v i b r a t i o ne m u l a t i o n a n dt r i a l m i x t u r e e s t a b l i s h i n gas u i t o f3 dm o d e l i n ga n dt r a i lc r i t e r i o n m e t h o d ，a n d p r o s e c u t i n gd e e p l yt h e o r ys t u d yf o rs e ap a r a m e t e r s e x p o u n d i n g t h eb a s i ct h e o r yo f s u b s y s t e mp a r t i t i o n ，s e t t i n gu pt h e3 dm o d u l eo ft h e t r u c k sc a b ，p u t t i n gf o r w a r dt h ep r i n c i p l eo f s u b s y s t e mp a r t i t i o ni nt h ep r o c e s so ff a c t u a l m o d e l i n g a i m i n ga td i f f e r e n ts t r u c t u r e ，i tf o u n d sas e r i e so ff o r m u l a eo fs e a p a r a m e t e r s ，s u c h a sm o d u l ed e n s i t y , d a m p i n gl o s sf a c t o r ( d l f ) a n dc o u p l el o s s f a c t o r ( e l f ) e s p e c i a l l y , b e c a u s ea u t o s e ad o e s n tp r o v i d et h ev a l u eo f d l fw h i c hm u s tc o m e f r o mt r a i l ，i tg i v e sa d e t a i l e de x p e r i m e n t a lc r i t e r i o na n dm e a s u r e st h ep a r a m e t e r sn e e d e di nt h es t u d y s e t t i n gu pf o r m u l a eo fc o n v e r t i n gt h ee n e r g yi n t oa l lk i n d so f d y n a m i c sr e s p o n s e ，i t a p p l yv a r i o u ss e ap a r a m e t e r st ot h e3 dm o d u l e ，t h e nc a l c u l a t et h em o d u l ea n dg e tt h e v a l u eo fn o i s el e v e lo ft h es u b s y s t e mw h i c hi sn e a rt h ed r i v e r se a r ，s i m p l ya n a l y z i n g t h e 华中科技大学硕士学位论文 v a l u eo fn o i s el e v e lo ft h es u b s y s t e mw h i c h i sn e a rt h ed r i v e r se a r ，s i m p l ya n a l y z i n gt h e v a l u ef i n a l l y e d u c i n gt h ed o m i n a t i n ge n e r g yf l o wb yt h ea n a l y z i n go fr e s u l t ，b a s e do nw h i c hi t b r i n g sf o r w a r ds o m ep e r t i n a n c em e a s u r e st or e d u c et h el e v e lo fn o i s ea n dv i b r a t i o n a n di t c a l ld i s t i n c t l yd e p r e s st h en o i s el e v e lo ft h ec a b t h es t u d yo f t h i sp a p e rc a l lo f i e rs o m e g u i d a n c ea n dr e f e r e n c eo nh o wt ou s es e aa n da u t o s e a t oc a r r yt h r o u g hn o i s e r i b r a t i o n s t u d y 、s e tu pt h em i x t u r ea n a l y z em o d u l eo f e m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t 、h o w t oe f i e c t i v e l v r e d u c et h en o i s ei e v e io f t r u c k c a b k e y w o r d ：s t a t i s t i c a le n e r g y a n a l y s i sn o i s e 姐dv i b r a t i o n d a m p i n g l o s sf a c t o r p o w e rf l o w s i m u l a t i o n 一 n i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：何学松 日期：汩垆年用i o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：何亏松 日期：扣哪年阴，o 日 指导教师签名 日期：知牛年广碉z 。日 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1选题意义及国内外研究现状 汽车噪声已成为城市主要噪声，占城市噪声的7 5 ，且汽车流动性强，其噪声的 影响范围大，干扰时间长。噪声对人体的危害是多方面的，首先使人的听力下降长 期置身于9 0 d b ( a ) 以上噪声环境的人，多数患有噪声眭耳聋症：其次，危害中枢神经， 使人产生头疼、头晕、耳聋、心慌、失眠等症状。另外，还会使人注意力不集中、疲 乏无力、反应迟钝。近十多年来，国家先后于1 9 7 9 年颁布了机动车辆允许噪声标 准( g b l 4 9 5 7 9 ) ，还相继制订了机动车运行安全技木条件( g b 7 2 5 8 - - 8 9 ) 、客 车通用技木条件( g b t 1 3 0 9 4 - - 9 1 ) 等技术标准，全面，优化地规定了各型车辆的噪 声限值。为了提高车辆的舒适性，世界各大汽车公司也都将车内噪声的控制作为重要 的研究方向叫2 1 。 与此同时，目益激烈的市场竞争迫使汽车厂商都在努力缩短新车型设计与开始生 产之间的周期。但目前大部分的人力物力花在发现和修复故障上。其实早期对问题进 行预测是完全可能的。因此现在制造商越来越重视设计阶段的预测方法，包括对汽车 振动噪声( n v h ) 的预测方法。国际上各大汽车公司纷纷把对汽车噪声特性的预测、 设计放在非常重要的地位，以期提高自己产品的竞争力而获得更好的经济效益。这已 成为当前研究的一个重要的课题。对于自主开发能力不高的我国汽车工业，此项研究 具有重要的战略意义。 传统的n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h ) 已经经历了近三十年的发展，但在其 大部分的发展期间里，结构动力学的预测模型都是依赖于有限元f e m ( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) 和试验模态参数分析e m a ( e x p e f i m e n t mm o d u l ea n a l y s i s ) 。并开发出很多 附带有噪声分析部分通用有限元软件及专用的声学有限元分析软件如n a s t r a n 、 a n s y s 、s y s n o i s e 等，但其最适宜的范围是低频的n v h 问题。统计能量法s e a ( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ) 是近年来引入的用于n v h 分析的新工具，已被成功地 尝试应用于各种车辆的振动及传播途径分析，以确定振动能量从已知输入沿结构的传 l 华中科技大学硕士学位论文 播途径。实践表明在中高频段，利用s e a 理论预测噪声值与实测值的误差在3 d b 以内【3 1 。 a u t o s e a 是最成功应用统计能量法的大型专用软件，唯一在此领域内提供快速三 维建模的声振仿真，所有的结构以及声学子系统都可以直接依据各自的几何尺寸建 立，并渲染成实体。其核心计算模块代码是根据美国n a s a 公开发表的理论研究成果 进行编写的，并利用全波传递理论进行准确的各种结构的振动与声学预测。本论文研 究就是以这个软件为基本旨在提高国内汽车的噪声预测及控制水平。 商用车驾驶室的振动、噪声水平是衡量其质量的一个重要标志，而且随着时代的 进步，人们对商用车的舒适性也有了越来越高的要求，但国产货用汽车的驾驶室内噪 声水平仍处在一个较低的水平，迫切需要改变这一现实。国际各大汽车公司对此重视 的目的是期望不但使所开发车型具有良好的车内外噪声特性，而且由此有效地缩短开 发周期和提高成功率。独立自主地开发高档次、高质量的汽车是我国汽车工业今后发 展的必然趋势。 我国在汽车噪声方面的研究工作开展得比较早。早期的工作主要局限在消声器的 选型设计方面。但是汽车是一个包括各种不同性质噪声的综合声源，其主要声源有： 汽车进、排气系噪声、冷却风扇噪声，道路激起的车体振动噪声、轮胎噪声等。因此， 自7 0 年代以来，我们逐步对汽车各部分噪声特性进行了测量研究取得了很大的进展。 但是目前，我国在汽车噪声控制方面与国外先进水平比差距很大。研究工作开展得也 很不够，我国汽车产品噪声控制水平和国外先进水平的差距还体现在噪声测量方法及 噪声限值的法规上。我国由于法规要求不高，执行不严格，并且这方面的市场竞争要 求也不离，因此我国汽车生产厂家对噪声控制工作尚未引起足够的重视。其产品的实 际控制水平也较差，以客车为例。许多产品只能勉强达到、甚至达不到g b l 4 9 5 - - 7 9 的限值要求。因此，我国的汽车产品噪声控制尚有大量工作要做 4 | 【5 1 。 在利用统计能量法( s e a ) 来进行汽车的振动与噪声研究方面，国内已做了一定的 工作。但由于缺乏相关软件的支持，受限于方程的复杂性，所建立的模型十分简单， 太过抽象，不能满足实际应用的要求。 五十年代国外已将噪声列为主要的环境污染因素之一，六十年代汽车噪声进而被 华中科技大学硕士学位论文 公认为是一种主要的公害。因此国外工业发达国家自六十年代起，就制定了许多法规 和标准进行控制，并从七十年代起每3 5 年就修订一次相关法规和标准，每次修订 一般将噪声限值降低2 3 d b ( a ) ，使汽车噪声限值有了大幅度的降低。这显著促进了 汽车减振降噪技术不断的深入研究和应用垆j i ”。 国外研究机构近1 0 年来对统计能量方法在车辆工程领域的应用作了大量的研究， 像克莱斯勒、n v h 实验室、丰田公司、通用公司、福特等对此都做了许多尝试。但开 始的时候，同样受限于方程的复杂性，大多局限于单一问题的分析，对于整车的建模 和噪声问题的应用涉足很少。现在借助于振动与噪声分析软件a u t o s e a ，很多汽车公 司，如福特、克莱斯勒等，已经建立了整车的声学模型，并取得了很好的研究效果 ”。 1 2 研究目标和关键技术 建立起套在新型商用车开发过程中利用设计图纸和设计参数进行车内车外噪 声特性的预测、设计和优化的建模方法，能在设计阶段对所设计的车型的噪声水平及 其分布迸行模拟和预测，从而对其声举特性进行评价，指出改进方向；使所设计的商 用车具有优照的振动、噪声特性，提高设计的成功率，缩短新型车的开发周期，避免 在批量生产后因噪声问题而蒙受经济损失。具体讲分以下几个方面： ( 1 ) 利用软件a u t o s e a ，将商用车的设计图纸导入软件中，建立商用车车内 结构与声学的3 d 实体模型。 ( 2 ) 进行必要的车内噪声测试与试验，获取降噪车辆车内现有噪声的实际 数据。 ( 3 ) 利用a u t o s e a 软件提供的与实验统计能量分析集成的综合接口，将具 有不同格式的实验数据文件导入a u t o s e a 软件，建立一个国产乘用车 车内噪声的实验与仿真混合分析模型。 ( 4 ) 应用实验与仿真混合分析模型，对国产乘用车车内的噪声进行仿真分 析。提出迸一步降低车内噪声的技术方案和措施。 采用统计能量分析法对耦合的结构元件和声学容积的噪声和振级进行成功的预 测，在很大程度上取决于对三个参数的准确估算。它们是；1 ) 单个子系统的模态密 华中科技大学硕士学位论文 度：2 ) 单个子系统的内部损耗因子( 阻尼) ：3 ) 各子系统间的耦合损耗因子( 耦合 程度) 。在此基础上，怎样将车辆分解为恰当的子系统是s e a 应用获得成功的重要保 障。 对于理想子系统有渐进的模态密度公式可采用，而对于非理想的子系统需求助于 试验技术。内部损耗因子被广泛认为是估算系统动态响应的主要误差源。结构元件的 内部损耗因子通常在试验上用测量每个非耦合元件的能量耗散来得到，在不能得到单 个元件的时候采用近似的方法得到。对于不同的试验要求有不同的试验方法可采用， 如半功率带宽法和稳态能量流法等。耦合损耗因子是s e a 所特有的，由于a u t o s e a 采 用先进的长波传播分析方法来理论计算耦合损耗因子，所以一般- 隋况下直接应用其理 论计算后的库值即可。 研究的路线与方法可以用以下流程图l 一2 来表述： 图1 2 研究流程图 华中科技大学硕士学位论文 2 统计能量法基本理论与a u t o s e a 软件 2 1 统计能量法基本理论 使用传统的模态分析方法研究工程结构系统的动力学问题已有很长的历史了，这 种研究动力学问题的方法局限于对能够清楚辨认的有限数量的低阶模态进行分析，分 析误差随着频率范围向更高扩展而增大，分析难度随着结构复杂程度而增加。研究工 程结构系统振动问题的困难是商阶模态参数的不确定性，因此使用统计模态的概念， 把振动能量作为描述振动的基本参数，并根据振动波和模态间存在着的内在联系建 立了分析声、结构振动和其它不同子系统耦合动力学的统计能量分析方法( s t a t i s t i c a l e n e r g ya n a l y s i s 简记作s e a ) 。统计能量分析方法适用于分析含有高频、高模态密度 的复杂系统( 含声子系统和结构子系统，或只含结构子系统) 的耦合动力学问题，例如 使用统计能量分析可预测复杂系统的内外声振环境等问题f 9 l 。 统计能量分析的“统计”意义是指允许有较粗略的系统模型参数，也就是说所研 究的系统对象是从用随机参数描述的总体中抽取出来的。这样就可以较快地提供复杂 系统的声振环境预测，这也是统计能量分析所以能得到较快发展的一个重要原因。统 计能量分析把复杂结构动力学系统的模态参数( 频率、振型、阻尼等) 处理成随机变 量因此要考虑预测结果的平均值和标准偏差。统汁能量分析虽不能预测子系统的某 个局部位置的精确响应，但能从统计意义上较精确地预测整个子系统的响应级，这是 统计能量分析的局限性及其固有的一个特点。使用者必须注意到这一点。从某种意义 上说，在工程初步设计阶段，设计人员手头尚不掌握详尽研究对象资料的情况下就 能预测系统动力响应这又是一个优点。随着对被分析系统细节情况的了解增多，计 算模型会逐步完善，动力学预测结果也就会越精确。 2 1 1 统计能量法发展简史 1 9 6 2 年l y o n 和m a l d a n i k 发表了一篇论文在声振领域引起很大轰动，它奠定了 s e a 的基础理论。文中第一次导出两个独立的受随机激励的弱耦合线性保守振子间的 5 华中科技大学硕士学位论文 功率流动与两个振子的平均能量差成正比，并将这一结论应用于两个多模态耦合系 统，导出了许多重要结论，紧随该文之后出现了一系列文章和报道，这一时期s e a 的 发展处于一个商潮。1 9 7 5 年l y o n 又发表了关于s e a 最具指导意义和权威性的著作， 之后出现的大量文章和论文几乎都是以该书为参考，并在诸多领域取得了一定进展。 这二十余年时间应属于传统s e a 方法的产生和发展成熟阶段i 1 0 1 。 传统s e a 法早期用于研究理想结构系统的随机振动特性，如声空间中的板、相互 连接两块板、通过粱连接的两块板、相互连接的粱和板、声空间中的圆筒壳等。后来 逐渐应用在航空、航天和航海等领域，有很多人尝试用s e a 法预估航天器上的声振传 递，从而得到内部安装仪器的声振环境；也有人用来研究船体结构上的声传递。飞机 机舱的声环境和机械噪声控制等。不过这些应用采用的模型都比较简单，且过多地依 赖经验或试验数据，其预测精度难以满足各种工程的实际需要。因此，伴随着s e a 法 也出现了很多其它相关方法，如功率流方法、渐进模态分析方法、改进的s e a 方法等 等，但这些只对简单的粱、声腔等做了研究，远没有传统s e a 研究应用的广泛【1 2 】1 2 。 国外利用s e a 方法对飞行器开展声振力学环境预测已有一定的历史和规模b 】。美 国早在六、七十年代对气动噪声就有大量的研究和试验报告；n a s a 在开展航天器声 振力学环境预测研究方面起步最早，几十年来取得很多成就。前几年n a s a 与剑桥大 学合作成功完成对c a s s i n i 航天器的力学环境预测研究；英国南阿普敦大学关于声振 的研究也形成了一定的规模并居于世界领先水平，阿里亚娜火箭卫星的声振力学环 境预测就是由该大学完成的。虽然涉及声振环境预测的研究报道很多，但由予军事及 商业上保密的原因，大多核心技术并没有公开，因此真正具有借鉴价值的文献并不多 见。 s e a 法是将一个复杂结构系统或声系统划分成若干耦合的子系统，每个子系统在 相应某个频率范围都有若干个共振频率，也可以认为这些共振频率是由多个振子组成 的振予群产生的。在每个振子群中能量通过弹性和惯性元储存，通过阻尼元耗散而 且能量还可以循耦合元传递到其它的振子群。s e a 法最后的目的就是根据系统的各种 参数建立起各个子系统间自& 量流动的关系最后导出能量平衡方程，通过求解能量平 衡方程得到每个子系统上能量，从而得到最后的振动响应。 华中科技大学硕士学位论文 上述推导用到了以下一些基本假设： a ) 子系统间的耦合是线性的保守的，这种耦合仅包含惯性元、弹性元和陀 螺元； b ) 在建立能量流动关系时，只考虑那些在相关频率带宽内具有共振模态的 振子群； c ) 对于一个指定的子系统，振子群所受的宽带随机激励在统计上是无关的： d ) 子系统的能量平均分配到频率带宽的所有共振模态上： e ) 各子系统之间存在互换性： f ) 任何两个子系统间的功率流正比于其间平均模态能量之差。 2 1 2 功率平衡方程的建立 一个子系统定义为一个具有共同共振模态性能的有限区域，它的响应假设是近似地在 带、白内包括同类型n 。v c o 个模态的区域里的混响。从子系统的有限带宽能量利用功率平衡 概念来估计，它的平均模态能量决定于下列之间的平衡：外部声源的输入功率：平均 态阻尼损耗因子的每周期功率损失；耦合损耗因子与关联予系统所发生的网络功率交换 首先看两个相互耦合的线性单自由度振子闻功率流动方程建立。见图2 一l ： c o ” 功率平衡方程如下： 图2 1 简单的s e a 系统 华中科技大学硕士学位论文 枷幅蝴：_ 睁鲁) c z 叫， 只列珑易埘桃睁制( 2 - - 2 ) 其中u 是分析带宽内的中心频率，f 是时间平均上的输入能量，仉表示的是从i 到j 耦合损耗因子，矾表示的是i 的自损耗因子，一表示的是i 的模态密度，e l 代表i 的能量。 如果有m 个子系统，就会产生m 个能量平衡方程，将他们表示成矩阵形式： ( 碣+ r i ，) 玎。 一聃2 玛 l 一啊。碍 j t 2 一, 7 2 i 也( + 玑，) n 2 l 一叮2 。鸭 ，t 1 p 2 mmmm m - i 一一： l ( + ) ”。 ，i 通式为 【三】【e = 【p 】 e 最 慢 m 已 ”m 舅 最 b 只 式中：【p 】为输入能量矩阵：【l 】为包含阻尼和耦合损失因子的矩阵；【e 】为子系 统能量矩阵。 上述方程代表了利用s e a 法对复杂系统进行分析的最基本表达式。方程中所包含 的s e a 分析参数包括模态密度、内损耗因子，耦合损耗因子以及输人功率。如果具备 这些参数，求解联立方程，即可得到每个子系统上总的能量e 。把这些能量换算成 相应的速度、位移、加速度和应变等就最后完成了响应预测工作。 2 2a u t o s e a a u t o s e a 是美国振动与噪声科学公司( v a s c i ) 推出的基于统计能量法理论的振动 与噪声计算软件，广泛应用于汽车工业，航空工业等行业。对于汽车工业来讲，它的 主要应用范围为汽车各种级别产品的振动与噪声计算与预测。它可以建立或者从其他 8 华中科技大学硕士学位论文 商业c a d 软件包导入模型，然后根据工况建立所需要的n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o n ， h a r s h n e s s ) 模型，然后进行各种约束和激励并通过微机计算得到所需要的结果a 在所 得到的结果上，a u t o s e a 提供了强大的后处理功能来对这些结果进行处理和分析，同 时a u t o s e a 还提供了很多模块来与夕 界进行交互。 2 2 ，1 基本特性和功能 a u t o s e a 的基本特性和功能有： ( 1 ) 强大的三维建模功能：如图2 2 ，a u t o s e a 是在同类软件中唯一一个提供快 速振动与噪声3 d 模型建立功能的软件。用户可以直接在几何建模模块中建 立机构与声学的实体模型，同时也可以从其他c a d 软件或有限元计算软件中 导入所需要的文件。 ( 2 ) 稳定的计算引擎：a u t o s e a 的核心计算模块代码是根据美国n a s a 公开发表的 理论研究成果进行编写的。目前a u t o s e a 利用全波传递理论进行准确的各 种结构的振动与声学预测。其计算引擎的稳定性和计算结果的准确性主要有 下四点来保证： 符合已经证明正确可靠了的工业标准。 正确的全波传递理论。 良好的封装性降低了结果对人为因素的敏感性。 正确编写并通过质量测试的代码。 ( 3 ) 自动连接：a u t o s e a 可以自动生成振动与噪声予模型之间的连接，并且如果 子系统之间相互有共同的几何边界条件， a u t o s e a 可以自动识别并计算( 如图2 2 ) 。 对于这种子系统之间的共存关系和连接， a u t o s e a 可以以实体的形式显示出来便于用 户观察。 图2 2 自动连接后轿车模型 ( 4 ) 开放的结构体系：a u t o s e a 允许用户或第三方销售商通过扩展模块来根据用 9 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = ；= # = = = = = = = = t = = = = = ；j j = = = = 目_ ；= = = = = l # = = 户需要和具体情况来进行各种功能的扩展。 ( 5 ) 多模型的集成性：对于企业级的产品，非常庞大和复杂，此时可以在设计小 组内将其进行划分然后单独处理，然后导入到软件中并通过主模型的系统集 成器进行自动集成。这样就可以提高效率节省项目的时间。 ( 6 ) 与实验并行处理：a u t o s e a 提供了一个与实验统计能量分析集成的综合接口 ( a u t o s e a x ) ，可以通过这个接口导入各种格式的实验数据文件。这样通过 在数据库中使用实验结果文件就可以建立一个混合的分析模型( 实验与仿 真) ，这样就提高了分析结果的可信度 2 2 2a u t o s e a 模型的建立过程 一旦所研究系统的外形尺寸被定义下来，在产品系统设计的最初阶段，我们就可 以利用a u t o s e a 建立声振模型，进行n & 7 的分析及设计。具体说来一般按以下的步骤 来建立模型以及有效化。 首先将已有的系统c a d 或f e 模型导入的a u c o s e a 中。然后根据设计研究的需 要在导入的横型上选取点，建立系统或部分级别的声腔和结构子系统。这一 阶段的工作不需要很精细的设计，在后续的研究过程中，还需要对模型进行 不断的修改。 接下来是创建及应用各种物质、属性和参数。这一步是很关键的，也是很复 杂的一步。首先我们创建各种物质和各物质的物理属性，然后将这些应用于 相应的予系统中。同时，还需要确定其他的一些参数，比如自损耗因子，耦 合损耗因子。这些参数的值可以手动的设置，也可以直接从外部的试验数据 导入。这些数据都储存在后台的数据库中，但我们可以在3 d 窗口中直接应 用于各子系统。 子系统创建完毕后，需要将各个声学和结构子系统连接起来成为完整的系统。 这个工作在a u t o s e a 中变得异常的简单，只需点击按钮“自动连接”，程序 自动完成系统的连接过程。在3 d 窗口中，我们可以直观的看到点连接、线 连接和面连接的实体形象，它们是可选中编辑的红色实体。 l o 华中科技大学硕士学位论文 定义噪声和振动激励，并将他们加载到系统中的正确位置，至此，声振仿真 模型建立起来。求解计算模型。 模型计算后，我们就可以根据需要取得各种结果，它们都是频率的函数，且 以图表的形式显示。这些结果包括噪声值、振动的速度及加速度、两子系统 间的传递函数、模态能量、所有的能量输入、所有的能量输出。同时还可以 用热力图的形式将所有子系统的能量大小用不同的颜色来区分，这样可以直 观的看到系统能量分布，也可以很容易的得出能量传递的路线。a u t o s e a 中 的图表以及3 d 显示使我们很容易的找到对研究目标的噪声和振动水平影响 最大的参数，通过设计就可以找到最为优化的解决方案。 通过不断的优化设计得到最终模型，将此模型交付生产，这个模型的噪声和 振动品质是得到保障的。 2 3 本章小结 本章首先说明了统计能量分析方法的优点和适用范围，并简要介绍了统计能量法 的发展过程及应用状况。从两个相互耦合的线性单自由度振子间功率流动方程出发， 推出了总的s e a 分析方法的最基本方程。最后介绍了软件a u t o s e a 的基本特性和功能， 简要列出最一般的设计过程。 1 1 华中科技大学硕士学位论文 3 车辆驾驶室声振3 d 模型的建立 驾驶室声振模型的建立是此研究工作的第一步，是很重要的基础，其是否正确将 直接影响仿真的精度。这既依赖于理论上指导，还需要实际研究中经验的积累，特别 是利用a u t o s e a 来建立模型的时候，需要不断的对模型的结构进行修改。 3 1 子系统的划分 3 1 1 予系统划分的理论基础 统计能量分析( s e a ) 之所以能为受高频宽带随机激励的复杂工程结构系统提供计 算动力响应的方法。就是因为它能够把复杂系统( 包括机械的或声学的系统) 划分分为 不同的模态群，并从统计意义上把大系统分解成为若干个便于分析的独立的子系统， 而不是逐个地精确确定每个模态的响应，所以在工程初步设计阶段应用统计能量分析 方法的第一步就是定义出模态群构成的子系统，这样建立的统计能量分析模型必须能 够清楚地表示出振动能量的输入、储存损耗和传输的特征。 统计能量分析中的子系统必须是可贮存振动能量的子系统，而只有一些相似共振 模态组成一群共振运动的子系统才可贮存振动能量，因此一群相似模态就可被视为统 计能量分析中的个子系统。一个子系统( 相似模态群) 在分析带宽( 如v c o ) 内的模态 数，是由于系统的特性参数模态密度确定的。用目前发展水平的统计能量分析解决含 低模态密度子系统的耦合动力学问题是不很准确的，所以目前简化建立统计能量分析 模型子系统的一条重要原则是子系统的模态密度必须足够的高( 例如分析带宽内 的模态数目要超过5 ) 。 模态( 振型) 相似的准则是振型要有着相同的动力学持性( 即相同的阻尼、相同的模 态能量和相同的耦合损耗因子等) 。例如一根粱有纵向振动子系统( 即纵向振动相似模 态群) 、横向振动子系统( 即横向振动相似模态群) 和扭转振动子系统( 即扭转振动相似 模态群) 等。 一块板壳可分解成如下些子系统： 华中科技大学硕士学位论文 弯曲声快( a f ) 子系统( 能与声场很好耦合的弯曲振动相似模态群) ： 弯曲声慢( a s ) 子系统( 不能与声场很好耦台的弯曲振动相似模态群) ： 弯曲非共振耦合好的子系统( 在分析带宽，外能与声场很好耦合的弯曲振动 相似模态群) ； 弯曲非共振耦合不好的子系统( 在分析带宽外不能与声场很好耦合的弯曲振 动相似模态群) ； 面内伸缩子系统( 面内伸缩振动相似模态群) ； 面内剪切子系统( 面内剪切振动相似模态群) 。 3 1 2 在a u t o s e a 中划分子系统模型的原则 通常根据复杂结构耦合系统的自然几何边界条件、动力学边界条件、材料介质特 性及上述原则建立统计能量分析予系统模型，同时还要根据实际情况、任务阶段要求 和经验建立统计能量分析模型。对于驾驶室系统，具体说来，在a u t o s e a 中建立子系 统模型主要需要掌握以下原则。 1 ) 按模态相似原则划分子系统。可把一些模态能量相同及模态阻尼相等的模态 划分为一个模态群。如果同一模态群中的模态能量相差较大，或模态阻尼相差较大， 则应再分成二个或多个模态群。同时还需保证子系统有足够高的模态密度，一般推荐 每个分析带宽内的模态数需要高于5 。模态密度般和系统的形状有关，比如对在驾 驶室中最多的平板结构来说，模态密度主要跟板的厚度和截面积有关，由于截面积是 不变的，所以面积的大小直接影响模态密度，实践表明只要面积大于0 0 6 m ：就能基 本上满足要求。在a u t o s e a 中，这一原则需要灵活的掌握，因其已考虑在模态密度较 低的情况下，做出了相应的补偿。 2 ) 根据复杂结构耦含系统的自然几何边界条件、动力学边界条件、材料介质特 性来划分子系统。在a u t o s e a 中这一原则很关键，因为它在建模过程中提供的标准子 系统很有限，我们需要对复杂系统进行合理的简化，根据其几何结构来划分子系统； 对于有不同材质的部分，其模态阻尼相差较大，一般划分为不同的子系统。对于商用 车的驾驶室模型来说，根据几何边界条件、动力学边界条件、材料介质特性来分，它 华中科技大学硕士学位论文 ：一e 自；= ；= = = = = = = = = = 自= = # = = = = = = ；_ = = = = 目目口# = = 主要由车地板，顶板，侧围，挡风玻璃和车内室等大系统组成。对于这些大系统，需 要细分为s e a 的基本子系统，如车底板，它是结构最复杂的部件，由三个板件焊接而 成，且板上有很多的冲压凹痕以及孔洞，在经过一定的简化后可将其简化为几十个 & u t o s e a 标准子系统。如图3 一l 所示为中底板的子系统划分。 图3 1 驾驶室中底板的子系统划分 3 ) 根据实际情况、任务要求和经验来划分子系统。在实际研究过程中，我们可能 会对系统的某一特定部分感兴趣，或者在 特定的任务阶段，需要对某部件进行研究， 那么就要根据这个要求对子系统进行重新 划分，将感兴趣的单元尽量划在一个予系 统中。同时，随着实践经验的积累，在子 系统的简化与划分中可以依照以前的实践 经验来进行。在本课题的商用车驾驶室噪 图3 2 驾驶室的声腔予系统划分 声研究过程中，我们主要对驾驶员耳朵附 近的噪声值感兴趣，所以根据这一研究需要将驾驶室声腔划分为1 2 个声腔子系统， 即将人耳附近部分划分为一个独立的子系统。如图3 - 2 所示( 按顺时针编号) 。 上述三个原则都不是绝对的，模态相似是最基本的原则，但在这前提下，需要 4 华中科技大学硕士学位论文 = = a _ _ = ；= = = = ；2 = = = 自；= = = 目；= ；l ；目目_ t 根据实际情况灵活的加以运用，在特殊情况下，允许建立特殊的予系统，以满足研究 的需要。 3 ，2 建立商用车驾驶室声振3 d 模型 本论文的研究对象、试验研究的对象是为东风第二汽车制造厂生产的e q 4 1 5 3 驾 驶室。东风公司提供了车辆驾驶室i g e s 格式的3 d 模型。在a u t o s e a 中根据驾驶室实 际的坐标尺寸来建立声振3 d 模型是很困难，不过a u t o s e a 提供了与i g e s 格式文件交 互的接口，所以建立s e a 模型最常用的方法就是将所研究对象的3 d 模型转化为i g e s 格式，然后导入到a u t o s e a 中。图3 3 即为将中地板的i g e s 格式文件导入到a u t o s e a 后的情景。但是导入后系统只能识别其中的点，所见的实体只是用来参考用的。 图3 3 中地板导入a u t o s e a 的情况 下一步的工作是利用导入后自动生成的点，将系统模型转化为a u t o s e a 可以识别 的标准子系统，如图3 4 所示。a u t os e a 的标准予系统主要有p l a t e ( 板) 、c y l i n d e r ( 圆柱) s i n g l yc u r v e ds h e l i ( 次曲面) 、d o u b i yc u r v e ds h e l l ( 二次曲面) 、b e n m ( 柱) 、a c o u s t i cc m v i t y ( 声腔体) 。在建立子系统前，需要将整个系统按照上一节 的子系统划分原则划分为若干的上述标准子系统。首先，我们的研究目标是驾驶员耳 朵附近的噪声值，所以必须将驾驶员头部附近的声腔划分为一个声腔子系统，据此， 华中科技大学硕士学位论文 口= = = ；= ；= j 目目= = = = = = = = 自_ # = = = 自= = = = = 目= = ； 需要将整个驾驶室的声腔部分划分为上下两层1 2 个声腔子系统。又考虑到车体侧围 有玻璃和钢板两种不同的材质，则上下两层声腔子系统的分界线为玻璃和钢板材质的 分界线。声腔子系确定后，由于四个侧围和顶板的结构简单，就可以相应的确定它们 的子系统划分了，而且模态密度完全满足理论要求a 图3 4 转化为a u t o s e a 标准子系统 地板的结构很复杂，有很多的变形结构，在确定划分子系统时需要进行适当的 简化。划分的原则是尽量保证系统的几何形状，尽可能精确的用标准子系统去近似原