基于声固耦合的车身板件阻尼处理研究

基于声固耦合的车身板件阻尼处理研究

1车上阻尼处理考虑到影响车辆在汽车内的低频噪声，驾驶员乘坐室的单元振动是引起汽车内噪声的主要原因。由于在板件上粘贴和敷设阻尼材料比较容易,且对低频噪声的降低效果明显,因而对车身板件的阻尼处理在汽车工程中应用广泛。在车身上进行阻尼处理时,阻尼处理的位置与面积直接影响到降噪效果。整体粘贴阻尼层的降噪效果比有目的地选择性粘贴要差,而且还会引起若干次峰值。另外,阻尼处理会带来汽车总质量的增加,进而带来更大的质量惯性与滚动阻力,最终影响汽车的燃油经济性。为此,应提高阻尼材料的利用率,在取得预期降噪效果的前提下尽可能少地使用阻尼材料。本文基于汽车车身有限元模型与乘坐室空腔有限元模型,以声固耦合方法作为车内噪声分析预测手段,分别利用车身模型的模态应变能信息和板件单元贡献信息为指标,确定对车身板件进行阻尼处理的位置和面积,并从理论和实例上比较了2种方法的特点及适用场合。2车内模态信息的计算首先计算出白车身的模态信息,因为钢板是车身的主要构件,对白车身的有限元建模也主要采用板单元。然后计算出车内空腔的模态信息。空腔有限元网格单元的尺寸不能过大,必须满足在每个波长中至少包含6个以上的单元。基于车身与空腔的有限元模型与模态计算结果文件,在发动机的悬置点加上激励力的频谱作为输入,定义驾驶员右耳处为输出场点,作有限元声固耦合响应计算,得到对车身进行阻尼处理前的原始场点声压,如图1所示。3阻尼分析及材料施加在车身的模态分析中,第i阶模态的第j单元的模态应变能(MSE)定义为:式中,{Φi}为第i阶模态的振型;[Kj]为j单元刚度矩阵。板件上模态应变能高的区域在受到外界激励时易振动,因而在其上实施阻尼处理可有效抑制振动并耗散振动的能量。首先需要计算出白车身各阶模态的应变能分布,并且在阻尼处理所针对的频率范围(对250Hz以下的低频区域进行阻尼处理效果较明显)内对各阶模态应变能进行叠加,得到综合的应变能分布。然后对综合模态应变能高的区域作阻尼处理。本试验针对频率范围为20~100Hz的低频区域进行阻尼处理。对车身进行模态分析,计算出这一频率范围内的模态应变能后,叠加得到综合模态应变能分布,如图2所示。采用约束阻尼对综合模态应变能分布中能量高的区域作阻尼处理。在有限元模型中模拟阻尼材料时,根据汽车工程中常用的一些阻尼材料参数,将阻尼材料的弹性模量取为3.4MPa,泊松比为0.499,密度为1000kg/m3,材料的损耗因子取平均值为1。约束层的弹性模量为75000MPa,泊松比为0.33,密度为2700kg/m3。本次阻尼处理共对2078738mm2的区域施加了阻尼材料,如图3所示,图中黑色单元表示阻尼材料的位置。利用阻尼处理后的车身模型作声固耦合响应计算,得到阻尼处理后的汽车车内场点(驾驶员右耳处)的声压响应,如图4所示。4振动速度法向部分的atv在车内噪声的形成过程中,乘坐室壁板的振动激励起内部空气的振动,而车内空腔的声压则是所有板件激起的空气声压的叠加。对于不同板件及板件上不同的区域,其振动对于车内场点声压的贡献量是不同的。对贡献量大的区域作阻尼处理,抑制其振动,则能有效降低车内噪声。在SYSNOISE中,为计算板件单元贡献,引入了声学传递向量(ATV,AcousticTransferVector)的概念。考虑到只有机械表面振动速度的法向部分在产生声压中起作用,因而将表面法向振速列向量{vns(ω)}作为系统的输入,而将声场中某点的声压作为输出。因为所考虑的声学系统均可看作为一个线性系统,所以系统可表示为:式(2)中的声学传递向量ATV即是联系着机械表面法向振速与场点声压的声学传递函数的全体。首先,以驾驶员右耳处场点声压为输出,以包围车内声腔的板件的法向振速为输入,计算出该系统在场点声压响应各峰值的ATV。为求解板件单元的贡献量,还需要知道系统受到激励力作用时板件表面振速的法向部分的值。在发动机的悬置点处加上力的频谱作为激励,利用前面得到的车身模态分析结果,采用模态叠加法计算出车身板件表面的振动速度。最后,以车身板件表面振动速度为载荷输入,结合车身振动-声学系统的ATV计算结果,可计算出对于车内场点响应的峰值的板件单元贡献量,如图5所示。对板件单元贡献高的区域作阻尼处理。阻尼材料参数的选取与前述基于模态应变能的阻尼处理相同,以便于对2种方法的处理效果作比较。本次阻尼处理共对1755012mm2的区域施加了阻尼材料,如图6所示。与图3比较可看出,2种方法所选取的处理部位是有区别的。利用阻尼处理后的车身模型作声固耦合响应计算,计算得到阻尼处理后的车内场点的声压响应,如图7所示。52阻尼分析的应用以模态应变能指标和板件单元贡献指标作阻尼处理后车内场点响应,与阻尼处理前的车内场点响应比较如图8所示。由图8可看出,2种方法所达到的降噪效果比较接近,在场点响应的3个主要峰值(30Hz、37.5Hz和46.5Hz)处,基于模态应变能分析的阻尼处理分别降低了1.1dB、0.1dB和1.1dB,而基于板件单元贡献分析的阻尼处理分别降低了1.1dB、0.9dB和0.6dB。它们都被证明是有效的阻尼处理分析手段。从图8还可看出,基于板件单元贡献指标的阻尼处理效果对其所处理的声压峰值(30Hz、37.5Hz和46.5Hz)有明显的削弱作用,而在其它频率范围,尤其是远离这些峰值的频段(85~100Hz)则效果不明显,由此可知,板件单元贡献指标对其所处理的问题峰值有强烈的针对性,而基于模态应变能指标的阻尼处理则在很宽的频率范围内均有良好抑制效果,即模态应变能指标对由板件振动引起的车内噪声在较宽的频率范围内均有普遍适用的效果。从原理上看,由于模态应变能指标主要由板件本身的振动特性所决定,所以这种方法考虑的是通过抑制板件在各种激励下的振动水平来降低车内声场的普遍噪声水平,它能适应各种激励,对声场的各位置都有一定效果,能影响到比较宽的频率范围。而板件单元贡献指标考虑的是板件在实际激励下的振动响应,以及不同板件部位的振动对于车内声场特定场点的影响,这种方法针对的是特定的频率,因而它针对特定工况在特定场点处的噪声峰值有明显的效果。在工程应用中,考虑车身阻尼处理的总体布置时,适用模态应变能指标,其可在未知实际激励的情况下抑制板件的整体振动水平,对整个声场都能产生效果,是一种普遍适用的方法,工作量相对较小。如果车辆的噪声问题暴露于某个特定工况下,在某个特定的声场位置,希望能够削减某个工况下的某个噪声峰值,板件单元贡献分析由于能考虑实际激励,是一种非常有针对性的方法,但工作量相对较大。6板件单元贡献分析模态应变能作为一个反映结构特性的物理量,在结构损伤识别、健康监测中应用广泛。由于模态应变能