形貌優(yōu)化與面板貢獻(xiàn)量在汽車噪聲傳遞函數(shù)優(yōu)化分析中的綜合應(yīng)用

劉忠偉，付廣，梁靜強(qiáng)，呂俊成

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

?

形貌優(yōu)化與面板貢獻(xiàn)量在汽車噪聲傳遞函數(shù)優(yōu)化分析中的綜合應(yīng)用

劉忠偉，付廣，梁靜強(qiáng)，呂俊成

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟，消費(fèi)者越來越關(guān)注車輛的振動噪聲性能，汽車的NVH性能開發(fā)被推到了臺前。對Trimmed Body的噪聲傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，通過面板貢獻(xiàn)量找到對噪聲影響較大的面板，然后利用形貌優(yōu)化分析截取面板局部模型，得到改進(jìn)的鈑金形狀結(jié)構(gòu)，最終優(yōu)化了車身噪聲傳遞函數(shù)。

噪聲傳遞函數(shù)；面板貢獻(xiàn)量；形貌優(yōu)化

0　引言

汽車車內(nèi)噪聲形成原因復(fù)雜，可分為車身板件振動結(jié)構(gòu)噪聲、進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲、輪胎噪聲以及風(fēng)噪等。以某款車型為例，進(jìn)行噪聲傳遞函數(shù)(NTF)分析時，發(fā)現(xiàn)部分接附點(diǎn)峰值不滿足目標(biāo)值。首先對車身進(jìn)行局部動剛度分析，排除接附點(diǎn)局部動剛度是造成峰值不滿足要求的因素;其次通過面板貢獻(xiàn)量(PFP)分析判斷出前圍板對噪聲峰值貢獻(xiàn)量較大;再次截取前圍板局部模型通過模態(tài)分析和形貌優(yōu)化等方法對其進(jìn)行優(yōu)化分析;最后驗證優(yōu)化后模型，得到前圍板局部模態(tài)提高、NTF部分接附點(diǎn)峰值改善的結(jié)論。

1　面板聲壓貢獻(xiàn)量和OptiStruct優(yōu)化理論

1.1面板聲壓貢獻(xiàn)量理論

噪聲傳遞函數(shù)(Noise Transfer Function，NTF)，指施加在某一結(jié)構(gòu)上的單位力在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的聲壓，它表示其結(jié)構(gòu)與內(nèi)部空腔的聲學(xué)相關(guān)特性。汽車結(jié)構(gòu)是由各種不同薄板和邊框構(gòu)成的。對于低頻結(jié)構(gòu)振動和振型，汽車立柱、橫柱和橫梁等結(jié)構(gòu)均有較大影響；對于車內(nèi)噪聲，汽車壁板振動的影響較大。

假設(shè)振動結(jié)構(gòu)的封閉邊界由K個面板組成，則封閉聲腔內(nèi)任意一點(diǎn)r處的聲壓p(r)可以認(rèn)為是由于這K個面板振動而在該處引起的聲壓相互疊加產(chǎn)生的，可表示為：

(1)

式中：pk(r)為由第k個面板振動而在封閉聲腔內(nèi)點(diǎn)r處引起的聲壓，k=1,…,K。

而對于封閉空腔聲場，由第k個面板振動在某場點(diǎn)處產(chǎn)生的聲壓可以認(rèn)為是第k個面板單獨(dú)振動而其他面板的法向振速為零時的情況，因此可得等效源強(qiáng)列向量：

(2)

式中：Vnsk為振動結(jié)構(gòu)的第k個面板的法向振速列向量。

由式(2)，可以得到由第k個面板振動作為輻射聲源相對應(yīng)的等效源強(qiáng)列向量：

(3)

利用式(3)，可得到由第k個面板振動在封閉聲腔內(nèi)點(diǎn)r處引起的聲壓為：

(4)

從式(4)可以看出，在已知第k個面板的法向振速的條件下，利用等效聲傳遞向量，可求解由該面板的振動在場點(diǎn)r產(chǎn)生的聲壓pk(r)。

(5)

式中：α=θ1-θ2為pk(r)與p(r)的相位差，θ1和θ2分別為pk(r)與p(r)的相位。

為了計算方便，由歐拉公式eiφ=cosφ+isinφ，可得cosφ=Re(eiφ)。

則由式(5)，可得：

(6)

式中：Re表示取實(shí)部，上標(biāo)“*”表示復(fù)共軛。

顯然，若0≤α≤90°或270°≤α≤360°，則Dk(r)為正；若90°≤α≤270°，則Dk(r)為負(fù)。

分別計算振動封閉空腔結(jié)構(gòu)各面板對聲場場點(diǎn)的聲學(xué)貢獻(xiàn)度并進(jìn)行排序，可為結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化提供指導(dǎo)依據(jù)。

1.2OptiStruct優(yōu)化理論

OptiStruct是一款功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件。優(yōu)化設(shè)計有3個要素，即設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。設(shè)計變量是在優(yōu)化過程中發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)；目標(biāo)函數(shù)要求最優(yōu)的設(shè)計性能，是關(guān)于設(shè)計變量的函數(shù)；約束條件是對設(shè)計的限制，是對設(shè)計變量和其他性能的要求。

優(yōu)化數(shù)學(xué)模型表述為

(7)

其中：X=(x1,x2,…,xn)是設(shè)計變量，f(X)是設(shè)計目標(biāo)，g(X)和h(X)是需要進(jìn)行約束的設(shè)計響應(yīng)，j=1,2，…,m；k=1,2，…,m；i=1,2，…,m。

2　Trimmed Body模型分析

2.1建立TrimmedBody有限元模型

利用HerperMesh分別建立白車身、座椅、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表板、五門一蓋、副車架和聲腔等有限元模型。依據(jù)整車實(shí)際連接關(guān)系把各個總成搭建為汽車TrimmedBody有限元模型，如圖1所示。

2.2NTF分析

在Nastran中提交計算TrimmedBody模型，利用HerperWork處理得到噪聲傳遞函數(shù)結(jié)果。處理結(jié)果后發(fā)現(xiàn)在各激勵的響應(yīng)中右懸置Y向、右前減震器X向、右前擺臂Z向和排氣第四吊鉤Z向激勵工況下，聲壓均在53Hz附近出現(xiàn)了較明顯的峰值。圖2為右前減震器X向激勵，后排座椅乘客中間位置聲腔響應(yīng)點(diǎn)(9 000 005)的聲壓曲線圖，在頻率53Hz處聲壓出現(xiàn)明顯峰值。測量點(diǎn)的聲壓級響應(yīng)曲線的響應(yīng)頻率是20～200Hz。

2.3面板貢獻(xiàn)量分析

在原TrimmedBody模型的基礎(chǔ)上建立面板貢獻(xiàn)量模型。首先建立若干不同的SET集，使其分別包含對NTF影響較大的幾個車身區(qū)域；面板區(qū)域劃分及簡寫代號見表1；然后創(chuàng)建PFPANEL卡片，定義面板設(shè)置參數(shù)和輸出形式;再在Nastran中提交計算模型，利用HyperWorks中NVH分析模塊處理計算結(jié)果，得到不同激勵工況下各個面板的聲壓貢獻(xiàn)量信息。其中右前減震器X向激勵下53Hz處后排座椅乘客中間位置聲腔響應(yīng)點(diǎn)(9 000 005)聲壓響應(yīng)的面板貢獻(xiàn)量分布見圖3。由圖可知前圍板面板所占比重最大，對此處車身內(nèi)聲壓的影響較明顯。

表1　面板及簡寫代號

3　形貌優(yōu)化設(shè)計

3.1形貌優(yōu)化分析

截取白車身前圍板局部模型，約束截面123 456自由度。截取模型如圖4所示，對其進(jìn)行模態(tài)分析。模型第四階模態(tài)159.3Hz，前圍板右側(cè)區(qū)域出現(xiàn)較明顯模態(tài)振動。利用OptiStruct形貌優(yōu)化模塊對前圍板局部模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化區(qū)域選取前圍板右側(cè)區(qū)域。形貌優(yōu)化設(shè)置條件見表2，形貌優(yōu)化后結(jié)果見圖5。

3.2優(yōu)化參數(shù)設(shè)計

根據(jù)形貌優(yōu)化結(jié)果以及模態(tài)振型并從外部空間和加工工藝上考慮，對前圍板右側(cè)區(qū)域進(jìn)行加筋或修改筋條處理，如圖6所示。

3.3優(yōu)化結(jié)果驗證

由圖7可知優(yōu)化后前圍板第4階局部模態(tài)由優(yōu)化前的159.3Hz變?yōu)?66.8Hz，提高了7.5Hz。根據(jù)以上優(yōu)化設(shè)計，重新對TrimmedBody模型進(jìn)行噪聲傳遞函數(shù)計算，處理結(jié)果后得到優(yōu)化后與優(yōu)化前對比曲線，如圖8所示?？梢钥闯觯簝?yōu)化之后的NTF曲線在53Hz處仍有峰值，但該處峰值已減少了2.8dB；另外，右懸置Y向50Hz處下降1.2dB，右前擺臂Z向52Hz處下降3dB，排氣第四吊鉤Z向53Hz處下降1dB?？芍藘?yōu)化結(jié)果對降低這幾個激勵的聲壓響應(yīng)是有效的。

對比圖3和圖9可知：前圍板面板在右前減震器X向激勵下53Hz處后排座椅乘客中間位置聲腔響應(yīng)點(diǎn)(9 000 005)處的聲壓響應(yīng)面板貢獻(xiàn)量，由優(yōu)化前61.67%降低為52.34%，降低了單個面板能量貢獻(xiàn)量，優(yōu)化了此處的面板貢獻(xiàn)量分布。

圖9車身面板優(yōu)化后貢獻(xiàn)量分布圖

4　結(jié)論

綜合運(yùn)用噪聲傳遞函數(shù)、面板貢獻(xiàn)量、模態(tài)分析、形貌優(yōu)化等方法完成了前圍板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在減少工程更改的基礎(chǔ)上，提高了前圍板的局部模態(tài)，降低了車身結(jié)構(gòu)和聲腔的耦合程度，優(yōu)化了車輛的噪聲傳遞函數(shù)。在實(shí)際分析過程中，車身結(jié)構(gòu)零件繁多，車身和聲腔解耦復(fù)雜，只有綜合應(yīng)用多種方法，多種措施相互結(jié)合，才有可能轉(zhuǎn)化為較理想的工程應(yīng)用。

【1】何祚鏞．結(jié)構(gòu)振動與聲輻射[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001．

【2】龐劍，諶剛，何華．汽車噪聲與振動—理論與應(yīng)用[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2006．

【3】洪清泉，趙康，張攀，等.OptiStruct&HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

【4】肖悅.基于面板聲學(xué)貢獻(xiàn)度的封閉空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)聲場分析的若干關(guān)鍵問題研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

Comprehensive Application of Topography Optimization and Panel Contribution inVehicle Noise Transfer Function Optimization Analysis

LIU Zhongwei，F(xiàn)U Guang，LIANG Jingqiang，LV Juncheng

(SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd., Liuzhou Guangxi 545007, China)

With the maturity of China’s automobile industry, consumers pay more attention to the vibration and noise performance of vehicle. The NVH development of the car has been pushed to the front of the stage. Based on the analysis of noise transfer function and panel contribution of Trimmed Body, a panel which had a bigger impact on the noise was found. Then the improved shape of sheet-metal was gotten through the analysis of topography optimization model. Finally, the vehicle noise transfer function was optimized.

Noise transfer function; Panel contribution; Topography optimization

2015-05-14

劉忠偉,男，本科，從事汽車NVH仿真分析研究工作。E-mail:liuzhongwei2009@126.com。