汽車車身振動噪音控制混合數值方法研究.pdf

1、在汽車行業(yè)高速發(fā)展的過程中，汽車振動噪音NV(Noise Vibration)的水平逐漸成為了車企及消費者共同關心的一個重要性能指標。汽車振動噪音產生的原因多樣而復雜，不同的機理產生的振動噪音具有不同的頻率特點。車身結構振動噪音是影響車內噪音的一個重要因素，針對車身結構而進行的振動噪音研究與控制具有重要的工程意義。在目前汽車車身開發(fā)中，汽車車身結構振動噪音的優(yōu)化設計主要集中在汽車正向開發(fā)的早期，早期的車身開發(fā)非常依賴于虛擬的CAE(Co

2、mputer Aided Engineering)技術，一旦車身開發(fā)前期設計存在問題，開發(fā)后期的更改將會涉及修改模具等一系列大的動作，修改成本十分昂貴。CAE是縮短車身開發(fā)周期，確保車身NV性能的關鍵。振動噪音數值方法又是構成CAE技術的核心，因此振動噪音數值仿真方法的精度和計算效率對車身設計的重要性是不言而喻的。
　　在此背景下，本文依次介紹了各個頻率段的不同車身振動聲學的仿真方法，總結了低頻，中頻，高頻等不同的數值方法的主要特

3、點，以及其相應的應用范圍。針對目前數值方法中存在的局限性，提出了一系列改進的數值技術。本文的研究主要涉及到面向四個不同車身NV特性的數值方法，主要包含預測車身結構本體振動特性的數值方法、車身結構振動聲學耦合方法、車身結構振動聲學傳遞損失方法，以及車身結構振動輻射噪音方法，具體內容如下:
　　(1)針對車身結構振動的預測問題，本文根據Reissner-Mindlin理論提出了一種基于單元節(jié)點和單元邊的新型混合光滑有限元法(NS+ES

4、-FEM)，并將其應用于車身薄板結構的靜力和自由振動分析。該方法分別利用了基于單元節(jié)點的光滑有限元法(NS-FEM)和基于邊的光滑有限元法(ES-FEM)各自的優(yōu)勢，巧妙地消除了薄板問題中的“剪切自鎖”現(xiàn)象，其中彎曲應變域是采用基于單元邊的梯度技術進行光滑處理，而剪切應變域是按照一定的比例權重分別應用了NS-FEM和ES-FEM的方法使其光滑，該比例權重系數可以通過一個簡單的數學公式在考慮板厚度以及網格尺寸差異的情況下自動計算而得到。新

5、方法中通過線性插值，采用了便于自動劃分網格的三節(jié)點三角形單元，使得建立的FEM模型簡單而穩(wěn)定。為了便于引用，該新方法記為NS+ES-FEM。本文中多個標準數值算例表明該新型方法在自動消除剪切鎖定現(xiàn)象的同時也提高了靜態(tài)以及動態(tài)計算結果的精度。
　　(2)針對車身結構振動與聲腔的耦合問題，本文在光滑有限元的基礎上，結合統(tǒng)計能量法，構造了基于光滑有限元和統(tǒng)計能量法的混合方法(S-FE-SEA)。中頻預測問題是一直是振動噪音領域的一個難點

6、和熱點，結構聲學中頻響應復雜，單一的確定性低頻方法和統(tǒng)計性的高頻方法都不合適中頻問題的分析與預測。而新構造的混合方法可以較好地處理中頻振動噪音預測問題，根據該理論，結構與聲腔的耦合系統(tǒng)，可以分為確定性有限元聲腔子系統(tǒng)以及具有統(tǒng)計性的平板結構SEA子系統(tǒng)。模態(tài)較低的聲腔子系統(tǒng)可以采用基于四面體單元邊的光滑有限元進行模擬，模態(tài)密度較高板件結構則采用統(tǒng)計能量法進行仿真，兩個不同的子系統(tǒng)通過直混場互惠定理進行關聯(lián)。文中算例表明，新構造的混合S-

7、FE-SEA能夠在聲固耦和系統(tǒng)的頻響分析中得到比傳統(tǒng)FE-SEA混合方法更好的精度。
　　(3)針對薄板結構的聲學傳遞損失預測問題，本文建立了基于邊光滑有限元模型以及統(tǒng)計能量法的三子系統(tǒng)的混合ES-FE-SEA模型，進一步提高了中頻傳遞損失預測的準確性?；谶叺墓饣邢拊?，可以“軟化”其傳統(tǒng)有限元中得固有的“剛度偏硬”特性從而減少誤差。同時，SEA方法能夠處理相對更高頻率范圍的聲學不確定性問題。在混合模型中，關注的結構采用精度較高

8、的ES-FEM方法進行離散模擬，由于相鄰空腔的模態(tài)密度較大，因此混響空腔則采用高頻的SEA方法進行建模。不同SEA與FE子系統(tǒng)之間的耦合通過直混場互惠原理建立。新方法首先應用在一個標桿算例，得出的預測解與參考結果吻合的程度非常高。隨后該方法被應用于某轎車前擋風玻璃以及前隔板的聲學傳遞損失預測中，最后，通過標準實驗，進一步驗證了ES-FE-SEA在計算精度方面的優(yōu)勢。
　　(4)針對結構振動輻射噪音分析的問題，本文提出了一種利用快速

9、多極元邊界元與基于邊的光滑有限元的混合數值計算方法(ES-FEM/FM-BEM)，其中振動結構域使用ES-FEM方法來建模型?；趩卧叺奶荻裙饣幚砜捎脕頊p少標準有限元里面的剛度偏硬的現(xiàn)象，從而減少了內在的數值離散缺陷，提高計算精度。將通過ES-FEM計算得到的結構表面的法向速度作為邊界條件施加在聲腔接觸面，并利用快速多極邊界元FM-BEM預測聲腔內外的輻射噪音。與傳統(tǒng)邊界元相比較而言，F(xiàn)M-BEM矩陣向量運算量以及數據存儲量都大大降