基于聲固耦合的車身板件阻尼處理研究

1車上阻尼處理考慮到影響車輛在汽車內的低頻噪聲，駕駛員乘坐室的單元振動是引起汽車內噪聲的主要原因。由于在板件上粘貼和敷設阻尼材料比較容易,且對低頻噪聲的降低效果明顯,因而對車身板件的阻尼處理在汽車工程中應用廣泛。在車身上進行阻尼處理時,阻尼處理的位置與面積直接影響到降噪效果。整體粘貼阻尼層的降噪效果比有目的地選擇性粘貼要差,而且還會引起若干次峰值。另外,阻尼處理會帶來汽車總質量的增加,進而帶來更大的質量慣性與滾動阻力,最終影響汽車的燃油經濟性。為此,應提高阻尼材料的利用率,在取得預期降噪效果的前提下盡可能少地使用阻尼材料。本文基于汽車車身有限元模型與乘坐室空腔有限元模型,以聲固耦合方法作為車內噪聲分析預測手段,分別利用車身模型的模態應變能信息和板件單元貢獻信息為指標,確定對車身板件進行阻尼處理的位置和面積,并從理論和實例上比較了2種方法的特點及適用場合。2車內模態信息的計算首先計算出白車身的模態信息,因為鋼板是車身的主要構件,對白車身的有限元建模也主要采用板單元。然后計算出車內空腔的模態信息。空腔有限元網格單元的尺寸不能過大,必須滿足在每個波長中至少包含6個以上的單元。基于車身與空腔的有限元模型與模態計算結果文件,在發動機的懸置點加上激勵力的頻譜作為輸入,定義駕駛員右耳處為輸出場點,作有限元聲固耦合響應計算,得到對車身進行阻尼處理前的原始場點聲壓,如圖1所示。3阻尼分析及材料施加在車身的模態分析中,第i階模態的第j單元的模態應變能(MSE)定義為:式中,{Φi}為第i階模態的振型;[Kj]為j單元剛度矩陣。板件上模態應變能高的區域在受到外界激勵時易振動,因而在其上實施阻尼處理可有效抑制振動并耗散振動的能量。首先需要計算出白車身各階模態的應變能分布,并且在阻尼處理所針對的頻率范圍(對250Hz以下的低頻區域進行阻尼處理效果較明顯)內對各階模態應變能進行疊加,得到綜合的應變能分布。然后對綜合模態應變能高的區域作阻尼處理。本試驗針對頻率范圍為20~100Hz的低頻區域進行阻尼處理。對車身進行模態分析,計算出這一頻率范圍內的模態應變能后,疊加得到綜合模態應變能分布,如圖2所示。采用約束阻尼對綜合模態應變能分布中能量高的區域作阻尼處理。在有限元模型中模擬阻尼材料時,根據汽車工程中常用的一些阻尼材料參數,將阻尼材料的彈性模量取為3.4MPa,泊松比為0.499,密度為1000kg/m3,材料的損耗因子取平均值為1。約束層的彈性模量為75000MPa,泊松比為0.33,密度為2700kg/m3。本次阻尼處理共對2078738mm2的區域施加了阻尼材料,如圖3所示,圖中黑色單元表示阻尼材料的位置。利用阻尼處理后的車身模型作聲固耦合響應計算,得到阻尼處理后的汽車車內場點(駕駛員右耳處)的聲壓響應,如圖4所示。4振動速度法向部分的atv在車內噪聲的形成過程中,乘坐室壁板的振動激勵起內部空氣的振動,而車內空腔的聲壓則是所有板件激起的空氣聲壓的疊加。對于不同板件及板件上不同的區域,其振動對于車內場點聲壓的貢獻量是不同的。對貢獻量大的區域作阻尼處理,抑制其振動,則能有效降低車內噪聲。在SYSNOISE中,為計算板件單元貢獻,引入了聲學傳遞向量(ATV,AcousticTransferVector)的概念。考慮到只有機械表面振動速度的法向部分在產生聲壓中起作用,因而將表面法向振速列向量{vns(ω)}作為系統的輸入,而將聲場中某點的聲壓作為輸出。因為所考慮的聲學系統均可看作為一個線性系統,所以系統可表示為:式(2)中的聲學傳遞向量ATV即是聯系著機械表面法向振速與場點聲壓的聲學傳遞函數的全體。首先,以駕駛員右耳處場點聲壓為輸出,以包圍車內聲腔的板件的法向振速為輸入,計算出該系統在場點聲壓響應各峰值的ATV。為求解板件單元的貢獻量,還需要知道系統受到激勵力作用時板件表面振速的法向部分的值。在發動機的懸置點處加上力的頻譜作為激勵,利用前面得到的車身模態分析結果,采用模態疊加法計算出車身板件表面的振動速度。最后,以車身板件表面振動速度為載荷輸入,結合車身振動-聲學系統的ATV計算結果,可計算出對于車內場點響應的峰值的板件單元貢獻量,如圖5所示。對板件單元貢獻高的區域作阻尼處理。阻尼材料參數的選取與前述基于模態應變能的阻尼處理相同,以便于對2種方法的處理效果作比較。本次阻尼處理共對1755012mm2的區域施加了阻尼材料,如圖6所示。與圖3比較可看出,2種方法所選取的處理部位是有區別的。利用阻尼處理后的車身模型作聲固耦合響應計算,計算得到阻尼處理后的車內場點的聲壓響應,如圖7所示。52阻尼分析的應用以模態應變能指標和板件單元貢獻指標作阻尼處理后車內場點響應,與阻尼處理前的車內場點響應比較如圖8所示。由圖8可看出,2種方法所達到的降噪效果比較接近,在場點響應的3個主要峰值(30Hz、37.5Hz和46.5Hz)處,基于模態應變能分析的阻尼處理分別降低了1.1dB、0.1dB和1.1dB,而基于板件單元貢獻分析的阻尼處理分別降低了1.1dB、0.9dB和0.6dB。它們都被證明是有效的阻尼處理分析手段。從圖8還可看出,基于板件單元貢獻指標的阻尼處理效果對其所處理的聲壓峰值(30Hz、37.5Hz和46.5Hz)有明顯的削弱作用,而在其它頻率范圍,尤其是遠離這些峰值的頻段(85~100Hz)則效果不明顯,由此可知,板件單元貢獻指標對其所處理的問題峰值有強烈的針對性,而基于模態應變能指標的阻尼處理則在很寬的頻率范圍內均有良好抑制效果,即模態應變能指標對由板件振動引起的車內噪聲在較寬的頻率范圍內均有普遍適用的效果。從原理上看,由于模態應變能指標主要由板件本身的振動特性所決定,所以這種方法考慮的是通過抑制板件在各種激勵下的振動水平來降低車內聲場的普遍噪聲水平,它能適應各種激勵,對聲場的各位置都有一定效果,能影響到比較寬的頻率范圍。而板件單元貢獻指標考慮的是板件在實際激勵下的振動響應,以及不同板件部位的振動對于車內聲場特定場點的影響,這種方法針對的是特定的頻率,因而它針對特定工況在特定場點處的噪聲峰值有明顯的效果。在工程應用中,考慮車身阻尼處理的總體布置時,適用模態應變能指標,其可在未知實際激勵的情況下抑制板件的整體振動水平,對整個聲場都能產生效果,是一種普遍適用的方法,工作量相對較小。如果車輛的噪聲問題暴露于某個特定工況下,在某個特定的聲場位置,希望能夠削減某個工況下的某個噪聲峰值,板件單元貢獻分析由于能考慮實際激勵,是一種非常有針對性的方法,但工作量相對較大。6板件單元貢獻分析模態應變能作為一個反映結構特性的物理量,在結構損傷識別、健康監測中應用廣泛。由于模態應變能