（工程力学专业论文）车辆乘坐室低频噪声分析.pdf

： j 合肥工业大学 洲1 1 1 i | 1 1 l ! t l l l t ll l , 1 1 8 8 6 3 3 9y 1 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位 论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 捕畸捌复遂7 孑1 7 乏铀灸 委 导师： f 戢 呻夕 仂厶一 彩 l 厶 彳炙 多衣 茜踅 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。 害我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金目巴工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 月过的材料。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。 掣位论文作者签字： 卜 f 誉狮 4 签字日期：加年幺月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金月巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 戗留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 损权 金月坠工些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 京，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) 繇求 签字日期：沙，年彩月 蜘 导师躲乏也 签字日期：加l 年+ 月? 眵日 i 怍单位：廷桶务养l 荔亳雄奄蚰f k 么虱 电话：d v f 一；g l | 8 f 通讯地址：上为每秽彳农楫工出砀移彪硝兰 邮编：。2 。侈侈 车辆乘坐室低频噪声分析 摘要 近年来，我国汽车工业飞速发展，人们对节能和环保的要求越来越高，促 使车辆朝着高速化、轻量化方向发展，汽车的技术含量也在不断的提高。其中 汽车的乘坐舒适性成为新车型开发的重要任务。汽车噪声的大小成为衡量汽车 质量水平的重要指标，直接决定了汽车制造商的竞争力以及发展潜力。车辆噪 声造成周围环境污染，同时过大的车内噪声也恶化了车辆的运行环境。因此， 车辆内部声学特性成为车辆振动和乘坐舒适性的关键影响因素之一。减小振动、 降低噪声，对提高车辆乘坐舒适性具有重要意义。而车身是汽车的主要部件， 在设计阶段就应该严格控制其n v h 性能。为了用最短的时间和最少的成本开发 出令客户满意的舒适安静的汽车，各种虚拟仿真技术越来越多地在汽车的设计 开发中得到应用。该文以某s u v 轿车为例，利用c a e 手段进行振动噪声仿真分 析，确定出乘坐室定制部位的声压分布情况以及受噪声影响严重的部位，进而 通过车身板件声学贡献量分析，找出所关心频率处各板件对驾驶员和乘员影响 程度的大小，从而对车身板件进行适当改进，达到控制车身板件振动，提高乘 坐室内声学环境的目的。 关键词：c a e ，声固耦合，模态，动态响应，声学灵敏度； s t u d yo nt h el o wf r e q u e n c yn o i s ei na na u t o m o b i l e p a s s e n g e rc o m p a r t m e n t 、 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r y ，p e o p l eo n e n e r g y c o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l y d e m a n d i n g ，p r o m p t i n gt h ev e h i c l et o w a r dt h eh i g h s p e e d ，l i g h t w e i g h td i r e c t i o n ， t h et e c h n i c a lc o n t e n to fc a r sh a sa l s ob e e ni m p r o v e d c o m f o r to ft h ec a rb e c o m e s t h ei m p o r t a n tt a s ko ft h en e wm o d e l s t h es i z eo fv e h i c l en o i s e1 e v e l sa sam e a s u r e o fa ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro fv e h i c l eq u a l i t y ，w i l ld e t e r m i n et h ec o m p e t i t i v e n e s so f c a rm a n u f a c t u r e r sa n dd e v e l o p m e n tp o t e n t i a l v e h i c l en o i s ep o l l u t i o nc a u s e db yt h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ，b u ta l s ot o om u c hn o i s ei n s i d e t h ev e h i c l eo p e r a t i n g e n v i r o n m e n td e t e r i o r a t e d t h e r e f o r e ，t h ev e h i c l ei n t e r i o ra c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c sa s v e h i c l ev i b r a t i o na n dr i d ec o m f o r to n eo ft h ek e yf a c t o r s r e d u c ev i b r a t i o n ，r e d u c e n o i s e ，t oi m p r o v ev e h i c l er i d ec o m f o r ti si m p o r t a n t v e h i c l eb o d yi st h em a i n c o m p o n e n t s ，i nt h ed e s i g np h a s es h o u l db es t r i c tc o n t r o lo v e ri t sn v hp e r f o r m a n c e i no r d e rt od e v e l o po fc u s t o m e rs a t i s f a c t i o nw i t ht h ec o m f o r t a b l e ，q u i e tc a r ，b yt h e s h o r t e s tp o s s i b l et i m ea n dl e a s tc o s t ，a l lk i n d so fv i r t u a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a s b e e ni n c r e a s i n g l ya p p l i e di na u t o m o t i v ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t t a k i n gas u v c a r ，f o re x a m p l e ，b yt h eu s eo fc a es i m u l a t i o na n a l y s i so fn o i s ea n dv i b r a t i o n m e a n st oi d e n t i f yk e yp a r t so ft h ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n ta sw e l la st h es o u n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h es i t es e r i o u s l ya f f e c t e db yn o i s e ，a n dt h e nt h r o u g ht h e c o n t r i b u t i o no fb o d yp a n e l sa c o u s t i ca n a l y s i st oi d e n t i f yt h ef r e q u e n c yo fi n t e r e s t a te a c hp a n e lo nt h ed r i v e r sa n dc r e ws i z eo fi m p a c t ，t h e r e b yi m p r o v i n gt h e a p p r o p r i a t eb o d yp a n e l st oc o n t r o lt h ev i b r a t i o na n di m p r o v et h ei n d o o ra c o u s t i c e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ： c a e ，a c o u s t i cc o u p l i n g ，m o d a l ，d y n a m i cr e s p o n s e ，a c o u s t i c s e n s i t i v i t y 致谢 眨眼之间，到了毕业之际，回顾在合肥工业大学求学的两年半时光，如白 驹过隙，在老师的悉心指导和同学的热情帮助下，在学校良好的学习氛围中， 我不仅学到了扎实的专业知识，为人处事也有了很大进步。老师们严谨的治学 态度、同学们刻苦的钻研精神都将使我受益一生。 首先要感谢我尊敬的导师一一王慧副教授、胡宗军副教授。王老师是一位 对学术执着，有良好科学素养的优秀学者和老师。在这两年半的研究生学习时 间里，王老师不仅在学习和工作上对我悉心指导，而且在生活上给我无微不至 的关怀。而胡老师严谨求实的治学精神，博大精深的学术造诣，虚怀若谷的长 者胸襟，对我论文的振动声学理论有着很大的指导。在此，谨向恩师表示最诚 挚的敬意和衷心的感谢! 在以后的人生旅途中，我将谨记导师的教诲，开拓视 野，努力拼搏，沉稳上进，不辜负导师的期望。 同时，我还要感谢上海同捷科技股份有限公司李思远院长在我实习期间对 我的关心与帮助，对我论文写作的思路以及今后职业发展的指导。 感谢在百忙之中审阅我的论文和参加我论文答辩的各位老师和专家! 借此机会，我还要感谢辛勤养育并培养了我的父母。在我今天取得的成绩 中凝聚了父母亲太多的期盼和心血；正是他们辛勤的劳作、无私的关爱、殷切 的期望和物质的支持才能让我顺利完成学业，我将用我的一生来回报! 感谢学院诸多老师对我的关心与指导，感谢同门师兄弟及舍友的帮助，祝 他们有个美好的明天! 作者：陈建明 2 0 11 年4 月2 日 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 国内外研究现状。3 1 3 本文研究的主要内容和方法- 4 1 3 1 研究的主要内容和方法：4 1 3 2 章节安排5 第二章车内噪声产生机理及研究方法6 2 1 车内噪声产生机理及分类6 2 2 研究方法综述7 2 2 1 有限元模态分析法7 2 2 2 统计能量法8 2 2 3 边界元法8 2 3 车内噪声控制方法9 第三章c a e 模型的建立1 2 3 1 白车身模型的建模1 2 3 1 1 模型网格单元类型与尺寸的选择1 2 3 1 2 模型简化的原则1 2 3 1 3 模型焊点的简化与模拟1 3 3 1 4 模型材料属性的选择1 3 3 1 5 模型网格单元质量的控制1 4 3 2 整车模型的建模15 3 2 1 车门的简化和建模。1 5 3 2 2 车窗玻璃的简化和建模1 6 3 2 3 发动机的简化和建模1 6 3 2 4 内饰件的简化和建模1 6 3 2 5 座椅的简化和建模18 3 2 6 其他部件的简化和建模18 3 3 车内声腔有限元模型的建模1 9 3 4 车内声腔边界元模型的建模2 1 3 5 有限元声固耦合模型的建模2 2 第四章有限元模态分析2 4 4 1 模态分析基础2 4 4 2 白车身模态分析。2 6 4 3 整车模态分析2 9 4 4 结构模态分析评价“3 0 4 5 声学模态分析31 4 5 1 声学模态分析理论31 4 5 2 声学模态计算与分析3 3 第五章车身动态响应与车内噪声计算分析3 6 5 1 汽车车身结构振动响应研究3 6 5 1 1 结构振动响应理论3 6 5 1 2 声固耦合系统振动响应理论3 7 5 2 四轮激励动态响应计算3 9 5 3 车室内声场计算与分析。3 9 5 3 1 噪音基础知识3 9 5 3 2 车室内声压检测点的声学响应4 1 5 3 3 板件贡献量分析4 2 5 3 4 建议改进方案4 5 第六章总结及展望4 8 6 1 本文总结4 8 6 2 问题与展望4 8 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的论文5 4 插图清单 图卜l 欧共体不同时期的通过噪声标准3 图2 1 车内噪声的主要来源及传播途径7 图2 2 主动噪声控制基本原理1 0 图3 1 白车身结构简化举例1 3 图3 2 网格质量参数几何定义1 4 图3 3 白车身结构有限元模型1 5 图3 4 车窗玻璃粘胶示图1 6 图3 5 自由阻尼结构。1 7 图3 6 内饰简化模型示图1 8 图3 7 整车车身结构有限元模型1 8 图3 8 车内声压检测点位置示意图1 9 图3 9n a s t r a n 流体单元属性卡片2 0 图3 1 0n a s t r a n 流体材料卡片2 0 图3 1 1 车内声腔有限元模型2 l 图3 1 2 车内声腔边界元模型2 2 图3 13 整车声固耦合有限元模型2 2 图3 1 4n a s t r a na c m o d l 卡片2 3 图4 1 一部6 缸发动机汽车部分模态频率规划2 4 图4 2 白车身前1 0 阶模态振型2 9 图4 3 整车车身部分模态振型3 0 图4 42 5 0h z 以内各阶模态振型3 5 图5 1 计权网络频率特性4 1 图5 2 声压检测点声压级分布图4 2 图5 31 号检测点7 0 胁时板件贡献量分析结果4 3 图5 41 号检测点1 2 0h z 时板件贡献量分析结果4 3 图5 51 号检测点17 0h z 时板件贡献量分析结果4 4 图5 61 号检测点2 15h z 时板件贡献量分析结果4 4 图5 8 顶盖前横梁左右连接板修改示意图4 6 图5 9 前地板修改示意图4 6 图5 1 0 前围下部中间位置处修改示意图4 6 图5 1 l 中立柱修改示意图4 7 表格清单 表3 1 整车单元材料属性1 4 表3 2 网格单元质量检查标准15 表3 3 声压检测点列表1 9 表3 4 板件分组列表2 l 表4 1 白车身前1 0 阶模态频率：2 6 表4 2 声腔前1 0 阶模态频率3 3 表5 一l 各板件贡献量列表4 5 表5 2 板件分组列表4 5 第一章绪论 本章介绍了噪声问题研究的背景以及进行噪声控制的意义，并按时间顺序 分别对国外和国内噪声问题研究的情况进行简要叙述，回顾了噪声问题研究领 域的发展历程，对本文所研究的结构低频噪声问题进行了描述，并简述了研究 所采用的方法，最后介绍了本论文各章节的安排。 1 1 研究背景与意义 随着人们环境保护意识的逐渐提高，噪声问题越来越受到社会、政府的高 度重视。对噪声问题的解决能力不仅体现一个国家的工业发展水平，而且与人 们的生活息息相关。汽车有很多指标，如可靠性、安全性、噪声振动、节油性 能等等。虽然安全性和可靠性等技术指标非常重要，可是噪声振动性能却越来 越备受关注，已经成为影响一部汽车品牌最重要的指标之一，直接决定了汽车 制造商的市场竞争力和未来发展潜力。噪声特性也是衡量汽车质量的重要标 志心3 。车辆的乘坐舒适性成为新车型设计开发的首要任务，而汽车噪声的大小 是衡量汽车质量水平的重要指标之一。 我们通常将车辆所产生的噪声称为交通噪声，由于其噪声能量和影响范围 都非常大，致使其成为现代生活中最主要的噪声源之一哺3 。在汽车界，人们通 常使用n v h 性能这一参数指标来评价噪声与振动，其具体涉及三个要素：噪声 ( n o i s e ) 、振动( v i b r a t i o n ) 和不适度( h a r s h n e s s ) 。考虑到n v h 三个要素 的相伴而生、相互紧密关联的特性，因此人们一般都对它们进行综合研究。每 个人对何为噪声的主观感受是不尽相同的，其根本原因是人有一双非线性结构 的耳朵，听到不同频率的噪声时听觉感受是不一样的。另外，由于振动与声波 的方向性，人对振动与噪声的敏感程度也因姿势与方位的不同而变化。因此， 汽车n v h 特性是指在车室振动的频率和噪声大小的动态变化作用下，乘员对汽 车乘坐舒适性的主观感受，这种感性认识是由人体的触觉、听觉甚至视觉等多 方面感受综合决定的，所以其概念必然是极为广泛的，所包含的内容多种多样 并互相关联影响，因此一般人们是按照人的主观性感受对车辆乘坐舒适性作一 。个相对评价。 汽车的振动与噪声可以用很多方法来分类：按频率来分，可以分成低频问 题、中频问题和高频问题；按专题来分，可以分为摩擦噪声、风激励噪声和机 械噪声；按源一一传递途径一一接受体来分，可以分成振动噪声源、传递通道 和人体对噪声与振动的响应n 1 。汽车噪声是由多种性质不同的噪声综合作用形 成的。这些噪声源一般都是开放性或者半开放性的，在各自特性的基础上与其 他噪声源相互联系、相互作用，共同决定整车的辐射噪声。在汽车噪声当中， 一般有车外噪声和车内噪声之分，由于乘员一般都在车内，其感受更多的就是 与车身结构关系极为密切的车内噪声，车内噪声过大会严重影响汽车的乘坐舒 适性、声品质、听觉损失程度、乘坐安全性以及驾驶员在车内对各种信号的识 别能力以及驾驶员和乘员的心理、生理状态，诱发交通事故哺3 ，所以人们对车 内噪声的关注度更高，其重要性也与发动机噪声控制相当6 】。因此，汽车乘坐 室的声学特性是影响车辆振动和乘坐舒适性的关键因素之一口3 。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1 。减小振 动、降低噪声，对提高车辆乘坐舒适性具有极其重要的意义。 汽车是国民经济的支柱产业，带动着许多行业的发展，比如加油站、旅馆、 公路等。而伴随着我国人民生活水平的不断提高，人们对拥有汽车的愿望也越 来越强烈，目前汽车正在成为消费品进入普通家庭。近年来，我国汽车工业的 飞速发展，使人们这一愿望正逐步成为可能。但是伴随着汽车保有量的不断攀 升，汽车对环境的影响也日益显著，其动力源泉一一石油也日益紧张，石油价 格步步高涨，这些甚至已经影响到了人们的生活，因此越来越多的人希望汽车 业能在节能和环保方面做出提升，以解决油价上涨和乘车舒适性问题。这促使 汽车制造商不得不对此作出必要的应对，由此车辆正朝着高速化、质量轻量化 方向发展，汽车的技术含量也在不断的提高。但是质量轻量化的同时也降低了 汽车的车身刚度，增大了汽车车身结构低频振动和车辆内部噪声，尤其是低频 低沉轰鸣噪声。另外随着汽车保有量的日益增加，随之而来的严重的汽车噪声 已经成为政府不得不面对的现实社会问题，这仅仅依靠车辆限购、单双号行驶 等措施无法得到根本解决，必须从技术上真正提高针对噪声问题的分析解决能 力。政府法规对汽车噪声与振动的要求越来越高，顾客购买汽车时，噪声与振 动是主要考虑的因素之一。政府与顾客这两股力量使得汽车公司、有关政府机 构、大学都投入大量人力与财力从事汽车降噪与减振的研究n 。 国外针对噪声问题的研究开始的比较早，目前已经具有一定水平，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阳。1 。国内汽车制造商 虽然开发的车辆档次越来越多，级别也越来越高，但是国内的汽车噪声的研究 由于起步比较晚，投入的时间、人力与财力还不够，对车辆振动和噪声的研究 还不够深入，相关技术相对来讲还比较落后，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 n 羽。国产车辆噪声性能低甚至已经成为国产汽车在市场竞争中的硬伤，成为限 制国产汽车市场保有率提高的主要障碍。因此，开展车辆振动与噪声研究，提 高国产车辆的声学水平，尤其是针对低频声固耦合问题的研究，积极调动各方 2 面力量构建面向全行业的n v h 技术支持体系势在必行阳3 ，具有明显的经济效益 和社会效益，对于保护和发展我国的汽车工业具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 早期的汽车发动机功率很低，而且只是在城市道路上低速行驶，噪声与振 动问题并不突出。 但是随着发动机功率不断提高，以及公路技术的发展，车速增加，噪声与 振动也随之增加，政府法规对通过噪声的要求也越来越严格。图1 - 1 表示不同 年代欧共体对通过噪声的限制要求。欧洲共同体( e c e ) 轿车噪声法规规定的车 辆通过噪声限制也逐年严格，从1 9 7 0 年的8 2 d b ( a ) 降到2 0 0 2 年的7 1d b ( a ) ， 噪声能量降低到相当于1 9 7 0 年的8 。其中扭( 么) 表示a 计权声级，是经过听 感修正的声压级，在汽车行业使用最为广泛。如果考虑到发动机功率加大和路 面条件变好，那么实际上对降低汽车噪声的要求还要更加严格。 1 9 7 41 9 8 41 9 9 5 年份 图卜1 欧共体不同时期的通过噪声标准 2 0 世纪6 0 年代以前，汽车噪声与振动的改进基本上是基于试验和简单的计算。 比如在进排气系统中使用的赫姆霍兹消声器就可以用简单计算来设计。1 9 6 6 年， g l a n n d w e l l 和z i m m e r m a n n 发表了把声音视为连续介质的弹性体n 引，用余能定理 和h a m i l t o n 变分原理推导出了板振动与声、薄膜振动与声耦合的理论表达式， 为使用有限元法求解声固耦合问题奠定了理论基础。之后计算机逐步应用到汽 车领域，首先在结构分析方面用于解决模态和响应问题。到7 0 年代，随着计算 机容量和计算速度的极大发展，有限元网格可以划分的更细，其模拟的结构细 节也更加真实，计算精度得到很大的提高。美国福特汽车公司使用n a s t r a n 软件， 用板梁单元进行车身的静态分析，找出高应力区，并改进应力分布3 。8 0 年代 时工作站得到普及应用，这使得大型计算成为可能，于是出现了整车噪声与振 动的计算，其中又以模态综合技术为主n5 。1 7 1 。9 0 年代对路面谱n 8 3 及汽车输入谱 n 叫的研究更加深入，对汽车结构的模态试验、分析和动力学修改也开展了研究 2 0 - 2 2 o 有限元主要是解决低频问题。低频问题是确定性的，而高频问题的模态密 度非常高，使用有限元分析起来相当复杂，且效率不高。于是就出现了分析高 孔铊锄他他阳明弱明 一一西pn嗤 f 频问题的统计能量法。统计能量法出现于2 0 世纪6 0 年代，最初被用来解决航 空器发射过程中受随机宽带激励的噪声振动响应问题，但这种方法在汽车领域 的应用却相当缓慢，直到8 0 年代末9 0 年代初，这种方法才开始用于汽车领域。 在以后的十多年里，统计能量法的应用突飞猛进，成为分析汽车高频噪声振动 问题的主要解决方法。 有限元方法解决了低频问题，统计能量法有效的解决了高频振动与噪声。 中频问题一直困扰着汽车噪声振动界，直到2 0 世纪9 0 年代，人们用各种混合 方法才使得中频计算达到一定精度。 进入2 l 世纪后，一些公司开始寻找噪声振动分析软件和其他性能分析软件 之间的沟通及通用性，建立“虚拟实验室 这样的软件。“虚拟实验室 试图 打破计算与试验之间的界限，打破各种软件之间的界限。 在汽车噪声振动的主动控制方面，2 0 世纪6 0 年代就已经有人开始研究。 但是直到9 0 年代，随着控制技术的发展和成本的降低，主动与半主动控制才真 正的用来降低汽车噪声与振动。目前，主动振动控制主要用在发动机的隔振上， 而噪声控制已经用在了进排气系统和车内噪声控制。甚至，现在已经能够不局 限与豪华车，部分普通轿车也已经开始使用这种方法。 在试验测试分析方面，更是出现了频谱分析、相干分析、相关分析、小波 分析乜3 q 制、倒频谱法、声全息法等新的测试和分析技术，极大的提高了分析噪 声振动谱和识别噪声振动源的手段。同时，通过这些新的试验技术手段建立了 车内噪声数据库系统，也提高了n v h 仿真计算分析的置信度，在很大程度上支 持了仿真分析的过程 2 5 - 3 0 o 几十年来，车内噪声与振动大大降低。但为了节省燃油，汽车结构轻量化 设计已成为一个趋势，又使得噪声与振动特征发生变化，随之带来了新的挑战。 我国于2 0 0 2 年新颁布了g b l 4 9 5 - - 2 0 0 2 订汽车加速行驶车外噪声限值及 测量方法，对各类车辆噪声值的限制比以往更加严格。但也仅相当于1 9 9 7 年欧盟颁布的e c e r 5 i 0 2 口纠汽车加速行驶车外噪声限值，这表明我国车辆 噪声控制水平与国外仍然有着较大差距，因此我国应进一步加强车辆噪声的改 进和设计能力，以提高车辆设计水平的国际竞争力。 目前，由于采用现代车身结构设计方法，新车型开发周期已经缩短到1 8 至3 0 个月3 朝。 1 3 本文研究的主要内容和方法 1 3 1 研究的主要内容和方法 本文主要介绍了噪声与振动问题研究的背景以及进行噪声控制的意义，噪 声与振动问题研究的相关理论方法，并对国内外关于此问题的研究发展历程进 行了回顾。并结合有限元法与边界元法，以某s u v 轿车为例，分别在a n s a 建立 4 了车身结构、乘坐室声腔的有限元模型和声固耦合有限元模型，并对相关构件 在保证可行性的基础上进行了试探性的简化，基于模态分析法，利用 m s c n a s t r a n 求解器分别分析了车身结构、乘坐室声腔的模态特性，并进行了声 固耦合系统模态及系统振动特性的分析。通过频响分析确定出乘坐室相关定制 部位的声压分布情况以及受噪声影响严重的部位，进而通过s y s n o i s e 软件进行 车身板件声学贡献量分析，找出所关心频率处各板件对驾驶员和乘员影响程度 的大小，从而对车身板件进行适当改进，达到控制车身板件振动，提高乘坐室 内声学环境的目的，为今后的汽车噪声控制与研究提供了可借鉴的方法。 1 3 2 章节安排 本文第二章对汽车车内噪声产生机理及分类进行了介绍，并介绍了现今三 种主要研究分析方法，并对噪声的两种控制方法一一被动噪声控制和主动噪声 控制方法进行了阐述。 第三章介绍了c a e 模型相关建模要求与建模方法，并由此建立了某s u v 车型 的白车身有限元模型、整车有限元模型、乘坐室声腔有限元模型、声腔边界元 模型等相关c a e 模型。 第四章介绍了结构模态、声腔模态等相关模态分析理论，并针对文中的某 s u v 车型，在相应c a e 模型的基础上分别进行了模态计算与分析，初步了解了系 统的各阶振动特性，为之后的分析奠定了基础。 第五章中首先求解出整车耦合系统的振动特性，参考g b t1 8 6 9 7 - 2 0 0 2 选择 相应参考点，并以耦合系统的振动特性为边界条件在s y s n o i s e 中计算获得了检 测点处的声压曲线，确定了车内的噪声峰值点。并针对峰值点频率进行板件贡 献量分析，确定目标板件，结合模态分析结果，对目标板件进行合适的修改， 以期有的放矢，用最短的时间达到最大的效果，降低车内噪声等级，达到提高 乘坐舒适性的目的。 第六章总结了全文研究工作的成果与不足，并对将来研究方向与方式提出 建议。 第二章车内噪声产生机理及研究方法 本章主要为后续章节的计算和分析做一定的理论铺垫，首先介绍车内噪声 产生机理以及分类方法，并着重介绍了有限元模态分析方法和边界元法，同时 也介绍了统计能量法，随后介绍了车内噪声控制方法。 2 1 车内噪声产生机理及分类 。 通常所说的车内噪声主要包括两个方面，一是传入噪声，二是辐射噪声口们 即分别以空气和固体微介质传播的噪声。车身是由骨架和壁板等通过焊接、铆 接等连接方式组合而成的复杂机构体，在发动机和路面等振动激励下，其振动 状态十分复杂阳引。其中发动机垂向振动，悬挂的纵向角、横向角共振，路面激 励，车体的弯曲振动、扭转振动等诸多振动互相影响。既往研究表明，在5 3 0 0 h z 范围内，车身骨架振动和车身板件振动是主要振动形式，在车身振动噪声现象 中占主要地位。 以车身结构型式的不同来划分，车身结构一般可以分为无骨架车身和骨架 式车身，其中，由于无骨架式车身刚度更低，车身与激励之间直接相连，导致 激励的传导更直接更不易耗散，所以无骨架车身由于路面噪声而产生的振动噪 声比骨架式车身更大。对于一些小型乘用车而言，由于诸多原因，轻量化设计 在车身设计时被更广泛的采用，使得车身整体刚度下降，固有频率降低，汽车 在行驶过程中车身容易产生共振，从而引起较大噪声。另外，发动机、底盘、 进排气系统等与车身连接之间的隔振措施不到位也更容易传导激励，激起车身 振动，进而加剧车内噪声。 从振动、噪声( n v h ) 的观点来看，车辆本身是一个由激励源( 发动机) 、振 动传递器( 由传动系、悬挂系统和连接件组成) 和噪声发射器( 车身) 组成的系 统m 1 。 从声源来看，车内噪声和车外噪声一样，都主要由发动机噪声、进排气系 统噪声、空调系统噪声及底盘系统噪声等等综合而成。这些噪声源所辐射的噪 声，在车身周围空间可能形成一个不均匀声场。车外噪声主要通过两种方式向 车内传播，即以空气为介质渗漏传导进车内和由车身板件辐射进车内。而后一 种方式的辐射噪声的强度不服从质量定律的规律，与壁板的隔声能力成正比， 即壁板的隔声能力越强，这种辐射噪声就越小，反之亦然。而这两种传播方式 的噪声还将在车内形成叠加声，进一步加大车内噪声。 另外，在车辆行驶过程中，车辆行驶速度对车内噪声也有影响，低速时以 发动机噪声等为主，高速时路噪、轮胎噪声等为主要噪声源。但是由于高频噪 声对车内噪声相对来说影响较小，所以低频结构噪声一直都是车内噪声的主要 部分，并成为抑制车内噪声的主要入手点。本文即通过研究车内结构低频噪声 来达到降低车内噪声、优化车内声学环境的目的。图2 1 表示了车内噪声的主要 来源及传播途径。 图2 1 车内噪声的主要来源及传播途径 2 2 研究方法综述 一般人们进行力学分析的方法归结起来可以分为解析法和数值法两类。其 中数值法由于受结构物的形状和复杂载荷的限制较小，已经成为应用最为广泛 的计算方法。目前对于振动与噪声问题的最主要研究方法有有限元模态分析法、 统计能量法以及边界元法，下面针对三种方法分别进行简单介绍。 2 2 1 有限元模态分析法 伴随着计算机科学与技术的快速发展，有限元分析已成为计算机辅助设计 的基本组成部分之一口7 1 ，是当今工程和科技领域中应用最为广泛的数值计算方 法。人们越来越多地应用有限元仿真代替样机试验，以此达到降低开发成本和 缩短开发周期的目的。计算机硬件的飞速发展，也使得许多大型通用商业计算 软件如n a s t r a n 、a b a q u s 、a n s y s 等的大范围实际应用成为可能，使有限元法成 为c a e 的重要支柱。 有限单元法的基本思路就是将结构物看成由有限个划分的单元组成的整 体，以单元节点的位移或节点力作为基本未知量求解口引。简单来说就是先分后 合，即先将结构划分成各个单元，进行单元分析，然后再将各单元集合成结构 整体，进行整体分析。按选取基本未知量的不同，可以分为位移法、力法和混 合法。显而易见，结构划分的单元数目越多，自由度也就越多，计算精度也越 高，但同时计算时间就越长。另外，结构划分的单元的振动频率必须高于要计 算的整体结构的振动频率，否则单元要进一步划分。因此单元的划分需与计算 精度相匹配，在合适的计算时间内得出需要的计算结果才是工程应用的根本要 求和目标。 由上述对于有限单元法的描述，我们可以总结出有限单元法的诸多特性， 如对复杂几何构形的适应性、对于各种物理1 口- j 题的可应用性、建立于严格理论 7 基础上的可靠性和适合计算机实现的高效性等。 2 2 2 统计能量法 统计能量分析法( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ) ，简称s e a ，是为解决 高频动态分析问题而逐步发展起来的，这种新发展起来的振动噪声分析方法起 始于6 0 年代航空航天工业，起初是由l y o n 口钉和s m i t h h 们为了解决航空器发射 过程中系统受到随机宽带激励后声和振动响应问题而建立的，是预示复杂结构 系统中高频动力学环境声学和振动的一种有效方法，经过近5 0 年的发展，如今 在汽车、航空、舰船、铁道等多领域的声学和振动分析预测及优化控制研究中 得到了广泛应用。 统计能量分析方法相对于有限单元法来说，对于低频问题的分析具有一定 的局限性。即只有系统中某个子系统的模态重合度较低，- 但所造成的结果的不 确定性与结构制造、装配、测试等过程的不确定性相对仍然较小，分析的目的 是进行初期结构设计的相对比较，或者最终分析并不需要求解该子系统的响应， 此时使用统计能量分析方法才具有一定效果。 统计能量分析方法作为一种计算分析方法，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。统计能量分析方法与实 验相对照，一旦通过验证，就可以精确描述微小的噪声性能变化，体现出极大 的应用价值h 。 从应用的频率范围来讲，有限元法更适合于低频分析，而统计能量分析技 术则主要应用于高频分析，两者从根本上说是相互完善的技术。虽然统计能量 计算分析的理论推导数学比较简单，系统模型子系统数目也不是很高，多数人 还是发现使用商业软件比自己编程更方便、更有效，因此也有不少统计能量分 析的商业软件推向市场。目前统计能量分析的主要的商业工程软件包括 a u t o s e a 和s e a m s 。 2 2 3 边界元法 上面介绍的有限元模态法非常适合低频结构振动的模拟和分析，可以模拟 和分析振动与声耦合问题。但是当空间体积增大，模态密度急剧增大，有限元 模态法的运算量急剧增大，此时计算需要的硬件条件很高，而且运算也极其耗 费时间。由此，提出了相对来说对处理结构声辐射、声散射和结构声腔等问题 有独特优越性的边界元法( b e m ) 。 “边界元法 这一提法在上世纪7 0 年代末期才被使用，随着计算机性能的 提高，这一方法在工程界得到广泛应用，同时也涌现了许多有关于边界元法的 研究文献和专著。在边界元方法中，赫姆霍兹方程被转化成积分方程，由于积 分方程中的未知变量分布于声场的边界表面，因此只有边界需要被划分为单元， 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h 别。这简化了输入数据，并在一定程度上减少了计算 时间和计算成本。 运用边界元法求解问题首先需要知道的是系统边界条件。结构边界条件一 般是以下三种之一： ( 1 ) 已知结构表面的复声压( d i r i c h l e t 边界) ； ( 2 ) 已知结构表面的复振动速度( n e u m a n 边界) ； ( 3 ) 已知结构表面的复阻抗( 混合或r o b i n 边界) 。 边界元方法以结构表面的复声压或复振动速度两个物理量之一作为输入条 件，然后根据边界条件计算出结构表面另一物理量。同时可以计算出声场内任 意一点的声压及结构表面的声强和声功率。 作为输入条件的结构表面复声压或复振动速度可以通过实测得到，也可以 通过计算得到。本文即通过有限元计算软件n a s t r a n 计算得到车辆乘坐室内表 面的复振动速度作为输入量。 另外，根据已有的工程经验，上述基本方法在汽车n v h 分析中各有其局限 性，于是产生了多种方法联合的思路。例如在中低频阶段，主要采用有限元法 和边界元法，在中高频阶段则主要采用统计能量法来分析，这样得到的分析结 果与实验结果更贴合，更具有可信性，因此联合分析方法在工程实际中迅速得 到了广泛的应用。由已有工程实践证明，对于空气等声疏媒质，由于声对结构 的反激励相对比较小，可以采取f e m b e m 联合分析方法，充分利用有限元法与 边界元法各自的优越性联合计算，缩短计算时间提高计算精度。考虑到本文主 要分析的是车室内结构低频噪声，因此本文采用了f e m b e m 联合分析方法。 2 3 车内噪声控制方法 噪声控制是一项涉及到结构设计、材料选择、工艺条件等多个学科的复杂 工程，采取每一项噪声控制技术措施，都必须综合考虑环境要求、技术条件、 经济条件等多方面因素。由于空气流动噪声一般较小，所以车身振动的控制成 为降低车身噪声的重点考虑因素。 在车身各构件中，车身板件振动对车内噪声贡献率极大。可以通过改变板 件厚度、改变板件材料、在壁板上改变加强肋位置或增加加强肋以提高板件刚 度，减弱板件振动，也可加装阻尼带或粘贴减振吸声材料，以增加对振动的衰 减。另外在板件上涂防声涂料，降低其声辐射效率，对减少其噪声也有效果。 从已有经验来看，当涂料覆盖量为o 2 5 9 c m 2 时，防声效果最佳。 各车身结构的共振频率基本是各不相同的。在车身设计时首先应合理规划 各系统的固有频率分布，使整车各系统固有频率相互错开，实现最佳匹配，以 避免激励力与车身之间发生共振。另外，对于降低空气噪声通常采用的做法是 9 采用车身流线型设计以降低行驶阻力，同时提高车身钣金工艺、烤漆工艺和减 少突出物等手段提高车身光洁度以减少空气涡流和空气摩擦。 解决噪声控制问题，一般首先要解决的问题就是噪声源的识别。尽管从车 内噪声产生机理来看，几乎所有噪声源对车内噪声均有贡献，车身自身也会产 生或放大车内噪声，但我们可以从噪声分析中找出贡献率最大的噪声产生原因， 做到有的放矢，用最少的时间和成本达到控制噪声在人们可以接受的范围内的 目的。 从方法上来说，车内噪声控制一般可分为传统的被动噪声控制和主动噪声 控制，其中被动噪声控制方式主要有减弱、消除声源以及降低激振力，吸振、 隔振、隔