（光学工程专业论文）基于汽车nvh正向设计流程的整车模态匹配研究.pdf

基于汽车n v h 正向设计流程的整车模态匹配研究 摘要 随着汽车的n v h 性能越来越受到客户的重视，汽车噪声振动控制问题显得 日益重要。整车振动噪声性能控制的关键是对零部件与总成之间进行振动性能 的合理匹配。本文主要对整车各系统模态匹配及频率规划问题进行了初步探 讨。主要研究内容有以下几点： ( 1 ) 系统性地总结了竞争车型振动噪声主观评价指标、n v h 性能测试项 目；制定了整车及子系统目标值分解表；总结了设计阶段应进行的与n v h 有关 的c a e 分析项目。 ( 2 ) 对汽车n v h 性能最重要的指标之一一模态( 动力学特性) 进行了研 究。阐述了在竞争车型n v h 性能测试阶段的模态试验，介绍了模态频率规划表 的概念，总结出整车模态频率匹配的策略与流程。 ( 3 ) 结合某汽车公司新车型的开发，制定该车型模态频率规划表。应用 c a e 分析技术，重点研究了车身系统、车内声腔、转向系统、悬架系统、动力 总成等系统的模态特性，根据匹配策略，对部分系统进行结构优化研究。 关键词：n v h ，设计流程，匹配，模态分析，优化 r e s e a r c ho nv e h i c l em o d a l f r e q u e n c i e sm a t c h i n gb a s e do no r i g i n a l n v h d e s i g np r o c e s s a b s t r a ct t h er e s e a r c ho nn o i s ea n dv i b r a t i o nc o n t r o li nt h ev e h i c l ed e s i g np r o c e s sh a sb e c o m e v e r yi m p o r t a n t ，b e c a u s et h ec u s t o m e r sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h en v h p e r f o r m a n c e t h ec r i t i c a ls t e po fn o i s ea n dv i b r a t i o nc o n t r o li sh o wt oi n t e g r a t ev i b r a t i o n a l p e r f o r m a n c eo fc o m p o n e n t sa n da s s e m b l i e s t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t hh o w t oa r r a n g e a n dm a t c hm o d a lf x e q u e n c i e s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e st h en v hp e r f o r m a n c es u b j e c t i v ee v a l u a t i o nt a r g e t s ， t h en v ht e s ti t e m so fb e n c h m a r kv e h i c l e ，a n dt h ec a e a n a l y s i si t e m sr e l a t e dt on v h ；f i s t s t h es y s t e mt a r g e t sa n dc a s c a d e st os u b s y s t e m ( 2 ) s t u d ym o d a lp e r f o r m a n c ew h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a r g e t so fn v h ； e x p a t i a t eo nt h em o d a lt e s t so fb e n c h m a r kv e h i c l en v ht e s t s ；i n t r o d u c em o d a lf r e q u e n c i e s l a y o u tt a b l e ；b r i n gf o r w a r dt h em o d a lm a t c h i n gs t r a t e g ya n dp r o c e s s ( 3 ) d r a wu pt h em o d a lf r e q u e n c i e sl a y o u tt a b l eo fan e wc a ru n d e rd e v e l o p m e n t ； a n a l y z et h em o d e so fs u b s y s t e m ss u c ha sb o d y - i n - w h i t e ，i n n e ra c o u s t i cc a v i t y , t h es t e e r i n g s y s t e m ，t h es u s p e n s i o ns y s t e ma n dt h ed r i v i n gs y s t e m ；o p t i m i z es o m eo ft h e ma c c o r d i n gt o t h es t r a t e g ym e n t i o n e da b o v e k e yw o r d s ：n v h ，d e s i g np r o c e s s ， m a t c h i n g ， m o d a la n a l y s i s ，s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n 插图清单 图3 1 整车低频n v h 特性的研究过程1 5 图4 1 产品开发流程1 6 图4 2 整车n v h “v ”型正向开发流程1 6 图4 3 汽车n v h 设计流程图2 4 图5 1 整车各系统连接示意图2 6 图5 2 整车振动模态匹配基本流程3 0 图6 1 某车型白车身有限元模型3 3 图6 2 白车身一阶扭转模态3 4 图6 3 白车身一阶弯曲模态o 3 4 图6 4 车内声腔一阶横向模态3 6 图6 5 车内声腔二阶横向模态3 6 图6 6 车内声腔一阶纵向模态：3 7 图6 7 动力总成及悬置系统模型3 9 表格清单 表3 1 常见汽车噪声的形式列表1 0 表3 2 传动系统汽车噪声的表现形式1 0 表3 3 结构声表现形式和频率范围列表1 1 表3 4 空气声表现形式和频率范围列表1 1 表4 1 整车主要目标值2 0 表4 2 子系统主要目标值o 2 0 表4 3 设计阶段应进行的子系统c a e 分析项目列表2 1 表4 4 设计阶段应进行的整车c a e 分析项目列表2 2 表6 1 某车型部分模态规划表3 2 表6 2 单位制3 3 表6 3 某车型白车身模态及振型描述3 4 表6 4 车身各主要零件灵敏度值3 5 表6 5 车身各主要零件厚度优化及调整结果3 5 表6 6 车身性能优化前后对比3 6 表6 7 转向系统零件对模态及质量灵敏度及优化取值3 7 表6 8 车架的模态频率及阵型图3 8 表6 9 悬架模态3 9 表6 1 0 某动力总成模态分析结果3 9 表6 1 1 优化后某动力总成模态分析结果4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金胆兰些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期 学位论文版权使用授权书 仁月，阳 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆王业去堂可 以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日角c 旨 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 扒 签字日 电话： 邮编： 导师签名： 致谢 时间如白驹过隙，转眼间我的硕士求学生涯即将过去，回首过去接近三年 的岁月，无论在学习、科研，还是在生活中的各个方面，我都得到了许多老师、 朋友和同学的悉心照顾，点点滴滴我都将永远铭记于心。 首先，感谢我尊敬的导师陈剑教授。在三年攻读硕士学位期间，陈老师无 论是在学习上还是在生活上都给了我极大的关心和帮助，使我得以顺利完成硕 士研究生阶段的学习和科研。陈老师渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的学 术思想、以及积极进取的科研精神是我终生学习的楷模。在课题研究过程中， 陈老师以他独特的思考方式、丰富的实践经验，解决了我所遇到的疑惑和难点。 而且，在生活上，陈老师也给予了我无微不至的关怀。值此论文完成之际，谨 向陈老师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 本论文还得到其他许多热心的同学的指导和帮助。在车身结构灵敏度分析 章节中引用了雷明准同学的分析结果；在动力总成建模分析过程中得到了夏 海、徐陈夏等的帮助；在车内声场分析方面得到了王彦博同学的指导；师兄王 建楠、刘欣，师弟穆国宝等也都给予了我很多的帮助，所内其他同学雷达、李 家柱、任国栋、高静轩、辛雨、李灿、杨雯、宋恩栋等也给我的学习和科研提 出了许多宝贵的意见，在此一并向他们表示感谢! 最后感谢我的父母、亲人和女朋友，感谢他们这么多年来对我的支持和关 怀，正是他们无私的关爱和辛勤的付出，使我能在艰难的环境中迈出一个又一 个坚实的步伐，谨在此寥寥数语聊表我的感激之情，拳拳之意，永藏于心。 作者：张丰利 2 0 0 9 年3 月2 6 日 第一章绪论 1 1 课题的来源、目的及意义 论文工作是国家8 6 3 重大科技专项轿车集成开发先进技术一一整车n v h 控制技术的一部分，与国内某汽车公司合作完成。 随着我国汽车产业的跨越式发展，汽车的大众化和普及，作为顾客可直接 感受的汽车n v h 性能备受顾客和汽车厂商的关注。汽车的n v h 性能作为等同于 安全性、燃油经济性和排放等性能的重要性能之一，在研发过程中如何进行整 车n v h 性能的设计与控制是值得探讨的重要课题。 汽车的n v h 性能是汽车产品各主要性能中重要的性能指标之一。世界各大 跨国汽车公司均在汽车研发流程的各个阶段，将汽车的n v h 性能置于安全性、 燃油经济性和排放等性能同等重要地位。世界著名的汽车质量评估机构j d p o w e r 评估汽车质量性能指标中有近三分之一的质量指标与汽车的n v h 性能 直接相关，人们对汽车n v h 性能的要求将越来越高。 如何在设计阶段考虑汽车n v h 性能，提高汽车n v h 控制分析及试验能力， 优化汽车产品开发流程，缩短开发周期是本论文工作的出发点。通过本文的工 作，以期在汽车n v h 性能匹配方面进行有益的探讨。 1 2 国内外研究现状 长期以来，汽车制造企业投入巨大努力以期全面降低车辆噪声水平。对于 早期的车型，多数情况下来源于发动机的噪声在车辆整体噪声中占据主导地 位，相应地，噪声控制的方向也较为明确和单一。近年来，随着发动机技术的 突飞猛进，发动机噪声水平也有较大幅度的降低。当前情况下，发动机之外的 其他噪声来源，例如传动系噪声、轮胎噪声、排汽噪声、风噪声以及车身壁板 结构振动辐射噪声等，对车辆整体噪声的贡献量比重相对增大，对它们实施控 制的必要性已经充分显现，其重要性也与发动机噪声控制旗鼓相当【l 】。由此而 导致车辆噪声控制问题的复杂程度剧增，主要体现在噪声控制方向的模糊性、 广泛性，以及各类噪声来源与车辆整体噪声水平之间的弱相关性。因此，提高 车辆噪声控制水平已成为新的竞争焦点和技术发展方向。在此背景下，车辆的 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 ) 性能正逐渐演变为重要的设计指标，也是用 户所关心的整车性能指标之一。汽车噪声控制水平必将成为决定车型开发成功 与否的不可或缺的重要影响因素之一，与之相关的分析、测试及材料技术等自 然成为汽车工程领域关注的新焦点【2 】。国外在n v h 技术最新进展上有以下三个 特点： 1 、n v h 技术已广泛应用于新车型的设计阶段 国外一些汽车公司已将噪声控制的理念和技术纳入到新车型设计流程的 关键环节【3 - 6 1 ，例如概念设计、技术设计以及改进设计等阶段，以期从设计源头 上确保车辆的n v h 品质。噪声控制技术应用于新产品的设计阶段，其主要技术 环节亦按照内在的逻辑而构成相对规范化的技术流程，一般包括车辆声学品质 目标设定、低噪声设计与优化、声学品质评价及设计验证等步骤。当前，声学 品质的目标设定已成为工程应用领域研究的新热点，具体又可分成如下2 个层 次： ( 1 ) 整车级别的声学品质目标设定。按照新的设计理念，整车级别的声 学品质应当既能够满足一般意义上的声学舒适性要求，又能够充分体现车型档 次并强化品牌特色【7 8 1 。具体处理时，往往可以从对照竞争车型的声学品质出 发，“剔除”其中不满意的成分，然后再将其设定为新车型的声学品质目标。 在这方面，近年来迅速发展起来的小波分析技术为问题的解决提供了有效手段 9 1 。t 国外已有汽车公司将小波变换用于冲击噪声特性的修改1 0 l ，其处理过程类 似于经典的短时傅立叶变换，但却更为有效； ( 2 ) 系统和元件级别的声振特性目标设定。显而易见，系统和元件的声 振特性必须服从于整车声学品质的总体目标要求。这意味着，应当从整车声学 品质出发，采用“自项向下、层层分解”的方法来确定各个系统和元件应达到 的声振特性目标要求一一即“c a s c a d e ” i h ，而仿真分析和最优化技术则是支 持这一c a s c a d e 处理过程的有效手段。 2 、仿真分析置信度的研究 ， 仿真分析的置信度一直是该技术应用中的“瓶颈”问题，对于物理机理和 数学模型高度复杂的车辆n v h 性能，其仿真分析的置信度更是不易保证。当前 关于车辆n v h 性能的仿真分析研究均十分重视其置信度的检验与提高【1 2 - 1 5 1 。国 外已有研究者将重点转向n v h “试验可靠性”的提高【1 6 】。目前已有机构建立了 车内噪声数据库系统，能够覆盖1 5 种车型的典型行驶工况7 1 ，从而有效地支 持了仿真分析过程并有助于确保其置信度。 3 、n v h 虚拟环境技术进一步走向工程应用 国外已有汽车公司研制出适合于工程应用的交互式n v h 性能模拟装置 一一n o v is i m ，可对由c a e 模型预估及性能试验获得的车辆噪声、振动信号实 施精确回放。评价人员( 技术人员、管理人员、用户等) 首先设定对象车型的 相关参数及载荷、路况等环境信息，然后在虚拟现实场景中对油门、刹车、档 位等进行交互式操纵，获得关于噪声、振动信号的实时反馈与切身感受。还可 随时切换车型参数以便针对不同车型进行性能对比，这对于共用平台的系列化 车型尤为方便。该系统目前已被有关企业纳入其新品车型的设计开发流程，用 于动力传动系统的声学品质目标设定以及概念设计虚拟样机n v h 性能的主观评 价【1 8 】。由于尚未实现商品化，迄今为止，类似于上述n o v i s i m 的车辆n v h 性能 模拟装置仅由个别企业研制并应用。 2 我国的n v h 理论研究和实验研究起步较晚，在上世纪末期才有些汽车厂 家对汽车变速箱、动力总成、悬置系统等部件的n v h 特性进行实验研究，还 没有达到对汽车整车n v h 特性研究的高度和深度。但随着n v h 问题的突显， n v h 研究已日趋重要。由于国内针对车辆n v h 设计理论与应用技术的研究刚 刚起步，无论是技术积累还是设计经验都明显不足。加之国外在该领域的研究 工作多数具有企业背景，其研究成果往往作为企业核心技术加以严格保密，这 使得国内汽车行业难以通过“引进、消化、吸收”的传统方式获取n v h 关键 设计技术。这已成为制约国内企业市场竞争能力进一步提升的“瓶颈”，并进 而对整个行业的技术进步与发展造成不利影响。为彻底摆脱这一被动局面，坚 持技术领域的自主创新是唯一正确的选择，这也是实现跨越式发展的必由之 路。 当前，国内汽车行业迫切需要系统、完善的n v h 技术支持与支援服务。 鉴于n v h 技术的高度复杂性，且在工程应用领域缺乏必要的技术积累的现实 条件下，单凭个别企业或科研单位的努力难以在短期内取得产业化领域的突破 性技术进展，而市场竞争的压力却又刻不容缓。因此，积极调动各方面力量构 建面向全行业的n v h 技术支持体系势在必行【2 】。 1 3 论文的主要内容及结构安排 本文介绍了模态分析的基本理论知识和汽车n v h 的基本概念及正向设计 流程，并在此基础上重点研究了汽车n v h 正向设计流程中一个十分重要的问 题一一整车振动模态频率规划与匹配的问题。本文各章主要内容安排如下： 第一章：介绍了本课题的来源、研究的目的与意义，着重介绍了汽车n v h 的国内外发展现状。 第二章：介绍与本文有关的c a e 分析相关的理论知识，包括有限元方法的 基本思想、模态分析的基础理论、结构优化分析的基础理论及基本方法。 第三章：介绍n v h 的基本概念，包括n v h 的定义、主要特征、n v h 评 价方法及设计目标等。 第四章：汽车n v h 正向设计流程进行补充，重点阐述竞争车型主观评价、 n v h 试验、目标值分解等问题。 第五章：提出一种整车振动模态频率匹配的策略，详细介绍模态规划表、 车身及各系统的模态分析及结构优化分析等，并将模态匹配的过程流程化。 第六章：将第五章的成果应用到国内某汽车公司新车型的开发过程中，对 新开发车型的各主要系统的模态特性进行研究。目前已完成该车型的虚拟设计 阶段，即将开展相关试验验证。 第七章：对全文工作进行了总结，提出存在的不足和困难，对下一步能够 开展的工作计划进行展望。 第二章基础理论知识 2 1 有限元法基本理论 2 1 1 有限元方法的基本思想 有限单元分析方法的思路来源于结构矩阵分析。其基本思想是将连续体视 作有限个基本单元的集合体，相邻的单元仅在节点处相连，节点的位移分量作 为结构的基本未知量。这样，就将具有无限多个自由度的连续系统的动力学问 题简化为有限多个自由度的离散系统的动力学问题。 在此基础上，假设一个简单的函数来近似模拟单元位移分量的分别规律， 即选择位移模式，再通过动力学原理( 例如虚功原理、变分原理等) 确定单元 节点作用力与节点位移之间的关系。然后，将所有单元按照节点位移连续和节 点作用力平衡的原理进行集总，得到整个系统的平衡方程组。引入边界条件和 激励后，就可以求解系统的节点位移，即完成对系统动力学的响应求解问题【l 9 1 。 2 1 2 有限元分析在汽车行业的应用 对汽车的零部件和整体结构进行动力学仿真和分析，是研究其可靠性、寻 求最佳设计方案的主要手段。汽车是由发动机、车身、传动系、行驶系和制动 系等组成的复杂结构，实际使用中的载荷情况也很复杂，采用经典力学的计算 方法往往有很大的局限性。而有限元方法的发展和应用，为其带来了一种可靠 的计算方法。有限元分析己成为计算机辅助设计中的不可缺少的重要环节，己 融入到每一辆汽车的设计中。它包括从结构的物理模型抽象为有限元计算的数 学模型，计算程序的选择或修改，以及计算前后大量信息数据的处理等过程。 这个过程最后获得的主要数据是：结构的应力分布、变形分布、内力分布，结构 的固有特性和动响应。利用这些数据，就可进行相应的分析。分析的目的包括： ( 1 ) 进行方案的优化设计，计算结构的劫、静态特性，进行动态优化设计， 预测其疲劳寿命和可靠性。 ( 2 ) 分析故障原因，寻求改进方法。在汽车使用中发生故障时，分析其原因， 提出合理改进方案【2 0 1 。 2 2 模态分析基本知识介绍 2 2 1 模态分析技术及其应用介绍 2 1 】 模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼 比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这个计算或试验分 析过程就称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则 称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别 获得模态参数，称为试验模态分析。模态分析为各种产品的结构设计和性能评 4 估提供了一个强有力的工具，其可靠的结果往往作为产品性能评估的有效标准， 而围绕其结果开展的各种动态设计方法更使模态分析成为结构设计的重要基 础。特别是计算机技术和各种计算方法的发展，为模态分析的应用创造了更为 广阔的空间。模态分析技术已在航空航天、造船、机械、建筑、交通运输、海 洋平台和兵器等几乎所有的工程领域中得到广泛使用。模态分析技术的主要应 用可归结为以下几个方面： 1 ) 评价现有结构系统的动态特性 根据模态分析的结果，即模态频率、模态阻尼、模态振型等模态参数，对 被测结构进行直接的动态性能评估。对一般结构，要求各阶模态频率远离工作 频率；对结构振动贡献较大的振型，应使其不影响结构正常工作为佳。 2 ) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计 传统的结构设计，在考虑动态因素的结构修改时，是以经验和反复实测为 主要手段。而基于有限元法的模态分析和试验模态分析为结构动态设计提供了 两条最有效的途径。 3 ) 诊断及预报结构系统的故障 利用模态分析得到的模态参数等结果进行损伤识别，日益成为一种有效而 实用的故障诊断和安全检验方法。如根据模态频率的变化判断裂纹的出现、根 据模态分析判断裂纹的位置、根据转子支撑系统阻尼的改变判断和预报转子的 失稳等。 4 ) 控制结构的辐射噪声 。 振动会产生噪声，在整车中，车身壁板的振动会产生辐射噪声。模态分析 为分析故障产生的原因及治理措施提供了有效的方法。 2 2 2 模态分析理论基础 2 2 j 整车结构实际的构件是一个自由度为无限多的系统。在车身结构分析中， 通常将所研究的机械结构看成是质点、刚体、弹性体及阻尼器构成的系统，并 将其离散成为有限多个相互弹性连接的刚体，由此无限多自由度系统就变成为 有限多自由度系统。当满足定常线性系统的要求时，其系统的数学模型可用下 列方程式表示： m i + c i + k x = f ( t ) ( 2 - 1 ) 式中，m ，c ，k 分别为质量、阻尼、刚度矩阵，x 为位移，f ) 为作用 力向量。 对于( 2 1 ) 式，其不考虑阻尼的齐次方程为： m i + k x = 0 ( 2 2 ) 假设系统各坐标作同步谐振动，即： x = 西s i n ( o x + 妒) ( 2 3 ) 5 把( 2 3 ) 代入( 2 2 ) 中可得到： ( k c 0 2 m ) o = 0 ( 2 4 ) 其特征方程为： l k c 0 2 m l = o ( 2 5 ) 解方程可得到n ( n 为系统自由度数) 个非负解q ( 0 c o l c o ) ， 令f 2 q 2 n ( i = 1 n ) ，称卜以为系统n 阶固有频率，分别把c o l c o 代入 到( 2 - 2 ) 式中可得到1 1 组向量，。，称。为系统n 阶模态振型。 因此，模态分析实际上是建立系统方程( 2 2 ) 并对其进行求解，获得结构 固有频率以及相应模态振型的过程。 适当的求解方法对于求解大型工程问题具有重要意义。由于无须对其全部 的特征求解，只要求n 个特征解即可。向量迭代法及r a y l e i g h r i t z ( 简称r r 法) 等可以求部分特征解，但不能保证较好的精度；子空间迭代法及l a n c z o s 法等都是针对大型特征值求解问题的有效解法，不但保证了一定的精度，而且 比较经济，把一些基本方法进行了有效结合，同时也考虑到矩阵的特点，使算 法进一步简化。l a n c z o s 法虽跟子空间迭代法类似，都是向量反迭代法和r r 法相结合，但它结合得更巧妙，使计算过程大大简化，以致对同样的问题，比 子空间迭代法快5 10 倍，是一种计算效率更高的求解方法，故在实际应用中 一般采用l a n c z o s 来求解 2 3 , 2 4 1 。 2 3 优化设计基本知识介绍 2 3 1 优化设计概述 2 5 - 2 7 结构优化设计是一门新兴的学科，其研究内容是把数学规划与力学分析方 法结合起来，以计算机为工具，建立一套科学、系统、可靠而又高效的方法和 软件。利用有限元分析方法，结构优化设计克服了以往采用经验、类比和采用 许多假设和简化推导的计算公式的传统设计方法的许多局限，使得结构设计由 消极的校验设计变为主动的改善设计，提高了设计的快速性和精确性，从而大 大缩短了产品的设计周期，提高了产品的质量水平。 结构优化设计已经在车身设计方面得到了广泛的应用。从研究层次上看， 已经从简单的桁架设计发展到了梁、板、壳等多种复杂形式的结构设计；设 计变量有连续的，也有离散的：目标函数从单目标发展到多目标；约束变量 从最初的应力、位移等发展到稳定性、动态特性等。 结构优化现在广泛采用准则法。准则法是从工程和力学观念出发，提出优 化设计所应满足的某些准则，然后用迭代法求出满足这些准则的解。优化准则 法最突出的特点是迭代次数少，且迭代次数对设计变量的增加不敏感，因而具 有很高的计算效率，同时，优化准则法也易于编程。优化准则法虽然有较高的 计算效率，但在建立迭代公式的过程中经常要引入一些假设，这些假设常常与 6 所研究问题的特点，如约束种类有关，因此它的通用性受到限制。目前常用的 结构优化准则法有：满应力准则法、应变能密度准则法、能量准则法和基于 k u h n t u c k e r 条件的优化准则法。满应力准则法通常用于具有应力和尺寸约束 的结构优化问题。 结构优化设计主要分成三个类型的问题：尺寸优化问题、形状优化问题和 拓扑优化问题。尺寸优化可以通过参数调节，比如改变壳的厚度、梁的截面参 数、弹性单元的刚度和质量单元的质量属性等，从而降低设计质量，调节所设 计材料的性能。形状优化是通过变动结构的边界，来改进结构特性的一种优化 方式，它通过重新定义节点的位置来获得结构边界的变化。 拓扑优化是给定载荷条件下寻找满足设计要求的结构材料最佳分布的优 化技术。结构优化设计有三个要素：目标函数，设计变量和约束条件。它的数 学模型可以表示为： r a i n f ( x ) s j g i ( 石) 0 扛协2 ，所( 2 - 13 ) h ( ：) ：=，pj 0 j1 , 2 _ ，、 w h e r e ( x ) = 扛l ，x 2 ，x 。j 其中： x 称为设计变量，f ( x ) 称为目标函数，g ，( x ) 、h j c x ) 所在方程称为约束 条件。 结构设计中，根据实际问题，目标函数可以是结构体积最小、重量最轻或 者应力最小、安全度最大、寿命最长，也可以是多种工况下的加权值。设计变 量可以是截面面积、节点坐标、构件内力、构件之间的连接形式。其中与约束 相联系的是状态变量。所以状态变量是指不直接设计但可以通过设计变量的改 变间接控制的结构响应参数，比如应力、应变、频率等都是状态变量。 2 3 2 灵敏度分析理论基础 2 8 - 3 0 1 对于有限元模型，结构的可修改参数体现在模型的物理参数中，易用数学 方法计算出动态特性对修改参数的灵敏度。 结构的质量矩阵阻】、刚度矩阵k 】、阻尼矩阵【c 的元素皆为实数，而其动 态特性可为复数。设y = y ( x 。，工2 ，x ，) ，其中x ，r ( 实数域) ，y c ( 复数域) ， 则定义： 叩( = l 觇i m x 畿a x x = 考皇a x i = 器a ( 1 n x o 例) 6 ， 一f 觇 f ix f f ) “ 为y 对x ，的相对灵敏度。 对实模态参数，其特征方程( k 一缈2 m ) o = 0 ( 2 7 ) 7 珂设计父重工f 求偏导数得： _ o k + k 竺一丝脚一2 丝o - a ，2 肘塑：o 缸f舐，舐，舐，苏， 将式( 2 8 ) 两边同时左乘巾r 得： 7 篓+ ，xa , t , 一，旦生m 一丁缈2 皇竺一，2 m 塑：o o x ，o r , io x ；o x 。o x ： 由k 、m 是对称矩阵，且由振型正则化可得： 娑：r 罢2 尝+ ( x o - - 0 9 2 m o ) r 娑 8 x i融；融ia x t 将式( 2 - 7 ) 代入上式得： 一o c 0 2 ：r 堡- a 0 2 0 r 丝 8 x i瓠i瓠i 由c o = 2 n f 可得固有频率对设计变量t 的灵敏度为： o f ：三r 堡一r 丝 舐，8 万2 厂舐， 2 苏； ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 2 4 本章小结 本章简单介绍了有限元方法的基本思想、模态分析的基本概念及在工程中 的应用；介绍了模态分析、优化分析及灵敏度分析的理论基础，为以后的模态 分析及结构优化分析打下基础。 第三章汽车n v h 基础知识概述 3 1 汽车n v h 的定义及研究目标 3 1 1 汽车n v h 的定义 汽车n v h 是指汽车的n o i s e ( 噪声) 、v i b r a t i o n ( 振动) 和h a r s h n e s s ( 舒 适性) 。汽车n v h 研究以提高顾客的听觉、触觉、视觉等感官舒适度、改善汽 车乘坐舒适性为目的，以提高车辆结构动态响应性能为手段，实现汽车的舒适 性设计。 n o i s e ( 噪声) 是指引起人烦躁、音量过强而危害人体健康的声音。汽车噪 音不但增加驾驶员和乘员的疲劳，而且影响汽车的行驶安全。它是n v h 问题 中最主要的部分，常用声压级评价。汽车噪声主要包括车身壁板产生的噪声、 空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源( 如发动机、制动器等) 传入的 噪声。汽车噪声是城市环境主要的噪声源，必须严格控制。 v i b r a t i o n ( 振动) 描述的是系统状态的参量( 如位移) 在其基准值上下交 替变化的过程。汽车振动主要包括由路面不平整而引起的车身垂直方向振动、 发动机的不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮的摆振和传动系的扭转摆 动等，还有方向盘、仪表板等振动，其频率范围在1 8 0 h z 。 h a r s h n e s s ( 舒适性) 指的是振动和噪声的品质，它并不是一个与振动、噪 声相并列的物理概念，而是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客 观测量方法来直接度量。总的说来，舒适性描述的是振动和噪声共同产生的使 人感到疲劳的程度 3 1 , 3 2 。 3 1 2 汽车n v h 的研究目标 汽车n v h 研究的内容可概括为：在设计阶段对汽车产品进行分析、预测和 设计，建立汽车n v h 设计方法、汽车整车c a e 与动力学仿真分析方法、各系 统( 悬架、转向、制动、动力传动、排气系统) n v h 设计方法、汽车内部的声 品质设计、虚拟样机噪声评估技术等【3 3 1 。 汽车n v h 应用研究目标可概括为 3 4 】： 1 、建立汽车n v h 正向设计分析系统，制定开发流程、设计规范、建立基 础数据库，建立汽车n v h 正向设计软件系统等； 2 、研究汽车噪声振动控制施工工艺，建立汽车减振降噪的工艺方法，形成 车内噪声的主动与半主动控制方法体系，建立吸声隔声材料与阻尼材料库； 3 、研究汽车噪声振动测量分析试验技术，建立测试分析方法、试验技术、 试验规范等。 9 3 2 汽车n v i t 特征描述 3 2 1 常见汽车噪声的表现形式 常见汽车噪声有其特有的表现形式，其声特征与客观测量有较密切的联 系，例如频率范围【3 5 】。 表3 1 给出了大部分已定义的声特征和频率范围。 表3 1 常见汽车噪声的形式列表 常见汽车噪声声学描述 隆隆声( b o o m ) 2 0 1 0 0 h z 的低频声 咯咯声( c h u c k ) 低音量的短促而尖利的声音 沉闷的金属声( c l u n k ) 低中频瞬间噪声 嗡嗡声( d r o n e ) 1 0 0 2 0 0 h z 范围内大振幅单一音质的声音 鼓鸣声( d r u m m i n g )低沉声音 引擎声( e n g i n ep r e s e n c e )类似引擎发出的声音 咆哮声( g r o w l ) 缓和的低中频宽声带噪声，1 0 0 2 0 0 h z 受压迫发出的嘎吱声 有明显的时间跨度和音质内容的瞬间宽频噪声， ( g r o a n )5 0 2 5 0 h z 撞击隆隆声( i m p a c tb o o m )瞬间低频噪声，有剧烈的调性成分，2 0 1 0 0 h z 呼啸声( m o a n ) 8 0 2 0 0 h z ，通常包括一到两种音调的声音 咔嗒声( r a t t l e ) 瞬间随机噪声 短促刺耳的叫声( s q u e a k )高音调宽频瞬时噪声 长而尖的声音( s q u e a l )瞬时高频噪声 滴答声及杂声( t i c ka n d h a s h ) 各种诸如风扇、皮带产生的声音 呜呜声( w h i n e ) 中、高频单音调( 可能有谐音) 的噪声，2 0 0 2 0 0 0 h z 为了深入的研究n v h 问题的产生机理，通常要更仔细的总结汽车噪声的 表现形式。以轿车传动系统为例，其表现形式列于表3 2 。 表3 2 传动系统汽车噪声的表现形式 频率域激振力振动形式( 非) 线性现象描述 2 1 0 h z 发动机扭矩变化扭转线性颤动( 振动) 2 1 0 h z 离合器的非线性扭转非线性震颤( 振动) 1 0 2 0 h z 传动轴折弯角扭转弯曲非线性 起步时振动 2 0 5 0 h z 发动机扭矩变化扭转线性 振动( 隆隆声) 2 0 5 0 h z 旋转不平衡 弯曲线性振动( 隆隆声) 传动系扭转振动( 隆隆 5 0 8 0 h z 发动机扭矩变化扭转线性 声) 1 0 传动系扭转振动( 隆隆 5 0 8 0 h z 传动轴折弯角扭转非线性 声) 1o o 2 0 0 h发动机往复惯性 传动轴弯曲振动( 隆隆 z 力 弯曲线性 声) 传动轴弯曲振动( 隆隆 4 0 0 2 k h z偏齿轮啮合力 弯曲扭转线性 声) 3 2 2 汽车结构声与空气声的表现形式和频率范围 汽车振动噪声分为结构声与空气声。结构噪声与车体结构振动有关；空气 声与车体声腔设计有关，包括风噪。 结构传播噪声一般是在1 0 到8 0 0 h z 的频率范围内起作用，见表3 3 。 表3 3结构声表现形式和频率范围列表 频率( h z ) 0 2 04 08 01 6 03 2 06 4 01 2 8 0 典型振动 粗糙声 隆隆声 动力系统噪声 路面噪声 呜呜声 主轴噪声 齿轮噪声 结构振动噪声表现形式与频率范围 空气声主要是在8 0 0 h z 以上的频率范围内起决定作用，见表3 4 。 表3 4 空气声表现形式和频率范围列表 频率( h z ) 路面噪声 排气系统噪声 引擎噪声 齿轮噪声 风噪声 6 31 2 5 2 5 05 0 01 0 0 02 0 0 04 0 0 08 0 0 0 空气声表现形式与频率范围 3 3 汽车n v h 研究的技术和方法 n v h 设计中主要包括激励源的识别和分析技术、n v h 参数的测量技术、 c a e 仿真技术、有限元分析技术、模态综合分析技术以及其它噪声与振动控制 技术。对n v h 的特性研究，主要有以多体( m b ) 系统动力学、有限元方法、 边界元方法、统计能量分析法等分析方法为主要内容的c a e 技术、n v h 的激 励源模拟和诊断技术，以及刚弹耦合系统和声固耦合系统为主要模型的仿真分 析技术。 3 3 1c a e 技术在n v h 设计中的应用 研究汽车的n v h 特性首先必须利用c a e 技术建立汽车动力学模型，主要 有以下几种比较成熟的理论和方法【35 1 。 ( 1 ) 多体( m b ) 系统动力学方法 多体系统动力学方法将系统内各部件抽象为刚体或弹性体，研究它们在大 范围空间运动时的动力学特性。在汽车n v h 特性的研究中，多体系统动力学 方法主要应用于底盘悬架系统、转向传动系统低频范围的建模与分析。 ( 2 ) 有限元方法( f e m ) 由于有限元方法的日益完善以及相应分析软件的成熟，使它成为研究汽车 n v h 特性的重要方法。一方面，它适用于车身结构振动、车室内部空腔噪声的 建模分析；另一方面，与多体系统动力学方法相结合来分析汽车底盘系统的动 力学特性，其准确度也大大提高。在汽车噪声问题中，声学有限元法主要用于 分析汽车结构振动引起的车内噪声问题。声学有限元法是用有限单元将声传播 的空气域如汽车的内部空间离散化，根据声学波动方程求解空气域中的声特 性。通常，使用结构有限单元将声传播空气域周围的结构振动进行离散化，同 时考虑结构一空腔耦合问题求解，在解得结构振动的同时，也解得空气中的声 传播。为了求解其中的结构振动一声学耦合问题，空气动力方程和空气连续性 方程在一定条件下都转化为声学波动方程。声学有限元法可以根据车内空间声 学模型和车身结构模型求得车内声模态和车身模态。利用这样的模型，可以研 究车身板件振动对车内声场特性的影响。另外可从实验得到车身激励模型，计 算出车内声场的声压分布和声压的频率响应，分析强迫振动的辐射板件对车内 声场的贡献及找出声学影响系数最大的板件 3 6 , 3 7 1 。 ( 3 ) 边界元方法( b e m ) 与有限元方法相比，边界元方法降低了求解问题的维数，能方便地处理无 界区域问题，并且在计算机上也可以轻松地生成高效率的网格，但计算速度较 慢。对于汽车车身结构和车室内部空腔的声固耦合系统也可以采用边界元法进 行分析，由于边界元法在处理车室内吸声材料建模方面具有独特的优点，因此 正在得到广泛的应用。 1 2 边界元网格生成一般需要遵循如下原贝, , j t 3 s 3 9 1 ： 边界元网格的大小一般取决于声波波长。但如果在特殊情况下结构弯曲 波波长小于声波波长，要以结构弯曲波波长作基准。对于线性单元，原则上要 保证每个波长内至少有4 7 个单元。对于二次单元，原则上要保证每个波长 内至少有2 3 个单元。 网格生成要遍布整个边界，直接边界元( d b e m ) 要求边界上不能有孔 洞。车身结构上的工艺孔等必须通过网格单元“填补”上。 各单元法向矢量的定义取决于采声点的位置，必须与定义好的内场或外 场一致。 如果用有限元计算结构振动，边界元网格要与有限元网格有一定的组排 搭配，保证节点的位移一致。 ( 4 ) 统计能量分析( s e a ) 方法 以空间声学和统计力学为基础的统计能量分析( s e a ) 方法是将系统分解 为多个子系统，研究它们之间能量流动和模态响应的统计特性。它适用于结构、 声学等系统的动力学分析。对于中高频( 3 0 0 h z ) 的汽车n v h 特性预测，如果 采用f e m 或b e m 建立模型，将大大增加工作量而且其结果准确度并不高，因 此这时采用统计能量分析方法是合理的。统计能量分析作为一种分析方法，其 更重要的作用在于列出主要噪声贡献，以及预测不同设计对车内噪声的相对影 响。统计能量分析模型一旦通过验证，就可以精确描述这种微小的噪声性能变 化，体现出分析方法的应用价值【4 0 】 3 3 2 汽车n v h 系统的仿真分析 利用c a e 进行汽车低频n v h 特性分析时，一般采用有限元方法和多体系 统动力学方法相结合预测车身的振动和车室内的声压【4 。 1 、刚弹耦合系统的仿真分析 分析的一般过程 汽车底盘n v h 特性的研究是以多体动力学和有限元方法的仿真计算为基 础的，通过仿真模拟可以直接计算出大量汽车n v h 特性参数，对于低频运动、 车身、轮毂、车桥和车架可以视为刚体，彼此之间用理想铰链连接并由弹簧、 减振器等元素约束，利用m s c 、a d a m s 等多体软件可以直接建立整车模型并 分析求解。试验表明：利用多体系统动力学车模型对4 0 h z 以下n v h 特性的模 拟非常准确。对于较高频率( 4 0 h z , - - 、, 2 0 0 h z ) 的n v h 特性研究，由于车身、车 架模态的影响，系统既包括大范围的运动又含有小范围的变形，采用单一的理 论方法建立模型非常困难，