普通家用轎車(chē)NVH聲固耦合特性的研究

袁亦博　肖岳　方晨　楊博融

摘 要：基于ANSYS軟件，運(yùn)用有限元分析，通過(guò)對(duì)普通家用轎車(chē)NVH聲固耦合特性的研究，了解NVH特性的基本原理，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析白車(chē)身對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)的NVH特性，并提出白車(chē)身改進(jìn)方案，希望通過(guò)較小的零部件改動(dòng)，達(dá)到較大的汽車(chē)NVH性能的改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：NVH；白車(chē)身；ANSYS；有限元分析

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，汽車(chē)的需求日益增加，普通家用轎車(chē)更是成為了尋常百姓家里的代步工具，也因此，汽車(chē)用戶對(duì)于乘坐的舒適性越來(lái)越關(guān)注，要求也越來(lái)越高。其中NVH特性便是汽車(chē)乘坐品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。所謂NVH，即是Noise，Vibration和Harshness.聲音和振動(dòng)，不難理解，而聲振粗糙度是指人體對(duì)噪聲和振動(dòng)的主觀感覺(jué)，是噪聲和振動(dòng)的品質(zhì)，不能用客觀方法來(lái)度量。而所謂的聲固耦合，指的是車(chē)身收到外界激勵(lì)后引起車(chē)身壁板振動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生聲波作用到乘坐室聲腔，而乘坐室聲腔將聲波放大或縮小，反作用于車(chē)身壁板上的現(xiàn)象。

在NVH的研究中，不論是N，V，還是H，其振動(dòng)和噪聲都是最為中要的兩個(gè)指標(biāo)。而其產(chǎn)生也是相互作用相互影響的。汽車(chē)作為一個(gè)整體，可以看成是一個(gè)有激勵(lì)源、振動(dòng)傳遞器以及噪聲發(fā)射器組成的系統(tǒng)。

激勵(lì)源，顧名思義，指的是產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的地方，對(duì)于汽車(chē)而言，其激勵(lì)源主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)，變速器，路況與輪胎等等。振動(dòng)傳遞器則是指懸掛系統(tǒng)和連接件組成的傳遞部分，而最后，由車(chē)身構(gòu)成的噪聲發(fā)射器就將其他部分產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲傳遞到乘坐者的身體使其感受到。

基于對(duì)上述內(nèi)容的了解，我們這里主要研究發(fā)動(dòng)機(jī)位置所產(chǎn)生的噪音與振動(dòng)對(duì)于普通家用轎車(chē)白車(chē)身的NVH特性響應(yīng)， 并對(duì)白車(chē)身結(jié)構(gòu)試著提出改變意見(jiàn)。我們之所以選擇發(fā)動(dòng)機(jī)，是考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)是每輛車(chē)必備且十分重要的地方，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲有一定的規(guī)律可循，通過(guò)這樣的研究有望達(dá)到大范圍改善普通家用轎車(chē)的NVH特性。

1 白車(chē)身NVH優(yōu)化部位的確定

1.1 白車(chē)身建模

我們采用SOLIDWORKS以某家用轎車(chē)白車(chē)身進(jìn)行建模，然后將其導(dǎo)入ANSYS15.0進(jìn)行分析處理，轉(zhuǎn)入ANSYS后，其模型如下：

1.2 模態(tài)分析

將模型導(dǎo)入ANSYS后，我們首先對(duì)白車(chē)身添加材料屬性，考慮到現(xiàn)在的家用轎車(chē)車(chē)身普遍較輕，我們選擇鋁合金作為白車(chē)身實(shí)驗(yàn)材料，然后我們以0.005m為單位劃分網(wǎng)格，得到劃分后的白車(chē)身模型：

我們?cè)谒膫€(gè)輪轂出添加四個(gè)固定點(diǎn)約束，并保持車(chē)身水平。然后通過(guò)分析計(jì)算，得到其各階模態(tài)及其固有頻率：

具體如下：

由上面六個(gè)圖以及表一我們可以分析的到：

由于模態(tài)分析中，高階模態(tài)響應(yīng)不具有參考性。我們主要分析一二階響應(yīng)，由一階響應(yīng)可以看到，其主要變形部位位于車(chē)頂棚及連接車(chē)頂棚的幾根支柱上，而二階響應(yīng)中，其主要變形位于車(chē)頂棚前端以及車(chē)前蓋靠近主視窗的位置。由此可以看出，白車(chē)身薄弱部位主要有車(chē)頂棚，支架，和車(chē)前蓋部分位置。這幾個(gè)地方都是我們可以改進(jìn)的地方。

1.3 車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)分析

在建立了白車(chē)身自身模態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)之上，我們分析聲壓的模態(tài)響應(yīng)。以此來(lái)尋找噪聲在白車(chē)身內(nèi)部的反應(yīng)情況。我們?cè)O(shè)置白車(chē)身為噪聲體，并對(duì)其運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，分析計(jì)算后得到了其六階聲壓云圖：

具體如下：

分析各階聲壓云圖可以看出，其結(jié)果與我們預(yù)期的結(jié)果相似，由于高階不考率參考性，而一階由于響應(yīng)過(guò)低，也不可取，因此我們以二階聲壓云圖進(jìn)行分析，不難看出，其白車(chē)身車(chē)前部分的聲壓較大，而對(duì)于車(chē)室內(nèi)部而言，駕駛座及副駕駛座前方的聲壓較大，及所產(chǎn)生噪聲較大。因此改進(jìn)可以從這方面入手。而結(jié)合模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是振動(dòng)還是噪聲，其主要都集中在白車(chē)身前中部。

1.4 諧響應(yīng)分析

為了簡(jiǎn)單模擬車(chē)在路面行走的顛簸情況，我們選擇將模型導(dǎo)入ANSYS，對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析，在其發(fā)動(dòng)機(jī)位置添加約束力模擬發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，得到六階模態(tài)變形云圖，在將其進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到位移響應(yīng)分布云圖：

由圖中可以看出，其形變主要集中在駕駛室前方，與前面實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)基本吻合。這也和振動(dòng)和噪聲是相互關(guān)聯(lián)相互影響的結(jié)論相吻合。

2 白車(chē)身優(yōu)化方案確定

正如上述三個(gè)實(shí)驗(yàn)的到的結(jié)論所說(shuō)。我們?cè)谠肼暎駝?dòng)中通過(guò)改善其變形情況來(lái)減少振動(dòng)從而也來(lái)減輕噪聲的傳遞。因此，從上述三組實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)白車(chē)身主要薄弱部分主要是車(chē)頂棚，車(chē)前蓋靠近車(chē)室處以及車(chē)頂棚支架。這里我們考慮到車(chē)前端蓋可以通過(guò)各種零部件來(lái)改善其振動(dòng)情況，然后噪聲方面我們也可以采用在車(chē)前部與車(chē)室之間增加隔音材料來(lái)改善其聲響應(yīng)情況，因此，我們這里主要討論對(duì)車(chē)頂棚的改善優(yōu)化方案。

我們經(jīng)過(guò)討論后，發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)，一是在其車(chē)頂棚內(nèi)部加筋板可以有效改善其薄弱位置的情況，二是在發(fā)動(dòng)機(jī)頂蓋加一層0.01m的橡膠層。

我們采用如下形狀的加強(qiáng)筋，既能夠保證其強(qiáng)度，又能保證美觀。

加強(qiáng)筋高度取15mm，厚度為17mm，起筋角取75度，其整體效果圖如下圖所示：

3 白車(chē)身優(yōu)化效果

將優(yōu)化后模型導(dǎo)入ANSYS軟件，進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，模態(tài)分析結(jié)果如下圖所示：

通過(guò)和之前的對(duì)比不難看出其變形情況較之前明顯好轉(zhuǎn)。

接著我們對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析與優(yōu)化前相比，優(yōu)化前其車(chē)前蓋靠近車(chē)室部分變形明顯，是需要改善的地方，而通過(guò)在車(chē)頂棚加加強(qiáng)筋之后，我們發(fā)現(xiàn)車(chē)前蓋的變形幾乎消失，其對(duì)于駕駛員的影響也大大降低。

我們又對(duì)其改進(jìn)后的白車(chē)身進(jìn)行了聲壓模態(tài)反應(yīng)分析，其主要結(jié)果如下：

從圖中可以看出車(chē)駕駛室位置的聲壓模型明顯改善。特別是對(duì)于車(chē)室捏駕駛員及副駕駛位置處的聲壓明顯降低。

綜上所述，我們通過(guò)在車(chē)頂棚加加強(qiáng)筋的方式，大大的提高了其汽車(chē)的NVH特性。

4 結(jié)語(yǔ)

我們以研究普通家用轎車(chē)通用模型的NVH聲固耦合特性出發(fā)，并具體選取白車(chē)身為研究對(duì)象，以發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲為主要輸入源，通過(guò)模態(tài)分析，聲場(chǎng)分析以及其諧響應(yīng)分析，找到其白車(chē)身本身薄弱部位，并以車(chē)頂棚為例，提出了其優(yōu)化NVH性能方案，并加以驗(yàn)證。結(jié)果表明，其優(yōu)化后，不僅車(chē)頂棚的模態(tài)有所提高，其車(chē)前蓋的諧響應(yīng)也有明顯優(yōu)化。

指導(dǎo)老師：陳大林

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