阻尼材料在汽車NVH開發(fā)中的應用

劉 偉Liu Wei

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阻尼材料在汽車NVH開發(fā)中的應用

劉 偉Liu Wei

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

車輛NVH性能是汽車研發(fā)中一項重要指標，車身阻尼結(jié)構(gòu)的振動和吸隔音特性是影響車內(nèi)空腔聲學響應的重要因素。以國內(nèi)某車型為例闡述阻尼材料在車輛NVH開發(fā)中的具體應用，通過對阻尼材料的選材及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低車內(nèi)關(guān)鍵頻率段的噪聲聲壓級，提升車內(nèi)空腔的聲學品質(zhì)。

阻尼；聲學；優(yōu)化

0 引 言

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，客戶對汽車性能要求與日俱增，對車內(nèi)振動、噪聲要求越來越苛刻，車輛的NVH性能直接影響著客戶對車輛的選擇，所以車輛的NVH性能是整車企業(yè)發(fā)展及盈利的重要保證。阻尼材料是一種減振降噪材料[1]，它在車身中的合理應用可以大大提升整車的NVH品質(zhì)，從而提升車輛在市場中的競爭力，是車輛NVH開發(fā)工作不可缺少的重要因素。

1 仿真建模及分析優(yōu)化

國內(nèi)某款車型在NVH性能提升階段需要針對問題頻率段開展減振降噪工作，車身結(jié)構(gòu)基本固化需要通過優(yōu)化阻尼板來降低車內(nèi)振動噪聲。利用分析軟件計算駕駛員右耳聲學響應，采用ATV（Acoustic Transfer Vectors，聲學傳遞向量）方法以駕駛員右耳處場點聲壓為輸出，以包圍車內(nèi)聲腔的板件的法向振速為輸入，計算該系統(tǒng)在場點聲壓響應各峰值的ATV，在發(fā)動機的懸置點處加上力的頻譜作為激勵，利用車身模態(tài)分析結(jié)果，采用模態(tài)疊加法計算出車身板件表面的振動速度[2]。目的是確保阻尼材料的合理性和針對性，控制成本的同時，最大限度地提升車內(nèi)NVH性能。

1.1 車內(nèi)聲學響應分析機理

外力激勵引起的車內(nèi)聲壓響應是振動在車身結(jié)構(gòu)和聲腔的噪聲傳遞函數(shù)，通過傳遞函數(shù)方法計算聲學靈敏度P/F（響應點聲壓/激勵點激勵力），由傳遞路徑分析得到車內(nèi)的聲壓響應，從而得到車內(nèi)考查點的聲壓響應。

式中，為角頻率；F()為激勵力；/ F()為聲學靈敏度。

考慮由發(fā)動機激勵引起的車內(nèi)聲學響應，分析模型為聲腔和Trimbody的耦合模型，只考慮結(jié)構(gòu)和空腔的聲學響應，不考慮內(nèi)飾等吸隔音材料的影響，響應點為駕駛員右耳位置。

1.2 分析模型建立

空腔有限元模型基于平均單元尺寸大小為50 mm的四邊形面網(wǎng)格建立空腔體網(wǎng)格單元，并考慮儀表板、前圍板、座椅等對空腔模態(tài)的影響。

車身Trimbody模型主要考慮發(fā)動機、儀表板、轉(zhuǎn)向盤、座椅、開閉件、風擋玻璃、車窗、前后大燈、內(nèi)外飾、電器元件等質(zhì)量對車身的影響，其中內(nèi)外飾、電器元件等采用質(zhì)量點單元模擬，其他均采用有限元網(wǎng)格模擬。采用整體劃分單元法建立自由阻尼處理薄板及板梁組合結(jié)構(gòu)的有限元模型，以便對表面阻尼處理結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析。整體劃分單元法是把約束層、阻尼層和基體層看成一個整體，能更好地體現(xiàn)出阻尼結(jié)構(gòu)各層之間協(xié)調(diào)關(guān)系，使各層之間在整個結(jié)合面上位移協(xié)調(diào)，具有單元總數(shù)少、運算省時、精度高等優(yōu)點[3]，如圖1所示。

1.3 阻尼材料的應用

阻尼材料主要用于地板、頂棚、前圍板、后隔物板和后翼子板等。地板主要采用熱熔型阻尼材料，頂棚主要采用約束型，前圍板采用自粘型和發(fā)泡型，后隔物板采用約束型，后翼子板主要采用磁性阻尼材料[4]，如圖2所示。

1.4 阻尼材料優(yōu)化

1.4.1 聲學靈敏度分析

在車身壁板阻尼層結(jié)構(gòu)聲學靈敏度分析的基礎(chǔ)上對阻尼層結(jié)構(gòu)的組合進行優(yōu)化，使得在關(guān)鍵頻帶下車內(nèi)聲壓級最小，實現(xiàn)車內(nèi)降噪。

建立數(shù)學模型，選取關(guān)鍵頻率段80～130 Hz，對阻尼層結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將此頻率段的駕駛員右耳傳遞函數(shù)降至55 dB以下。

1.4.2 設(shè)計變量

以不同結(jié)構(gòu)的阻尼層厚度為設(shè)計變量參數(shù)，厚度變化范圍為±3 mm。

=（1，2，3，4，5，67，8）

其中，1為后隔物板阻尼層厚度，選用約束層阻尼；2為車頂棚阻尼層厚度，選用約束層阻尼；3為前圍板阻尼層厚度，選用發(fā)泡型、自粘型阻尼；4為車門內(nèi)板阻尼層厚度，選用熱熔型自由層阻尼；5為前地板阻尼層厚度，選用熱熔型自由層阻尼；6為中地板阻尼層厚度，選用熱熔型自由層阻尼；7為后地板阻尼層厚度，選用熱熔型自由層阻尼；8為后翼子板阻尼層厚度，選用磁性阻尼材料。

1.4.3 約束條件及目標值

約束條件為阻尼材料質(zhì)量最小，目標值為駕駛員右耳聲壓值低于55 dB。

1.4.4 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前、后阻尼材料的厚度變化見表1。

表1 阻尼材料厚度優(yōu)化結(jié)構(gòu) mm

設(shè)計變量優(yōu)化前優(yōu)化后變化量 h156.7+1.7 h243.2-0.8 h385.1-2.9 h456.2+1.2 h567.3+1.3 h664.2-1.8 h764.1-1.9 h852.2-2.8

優(yōu)化后車身阻尼板質(zhì)量降低1.6 kg，后隔物板、車門內(nèi)板和前地板等位置阻尼板厚度有所增加，車頂棚、前圍板、中后地板、后翼子板等位置阻尼板厚度有所減少，前圍和中后地板處阻尼板對車內(nèi)噪聲貢獻較大，靈敏度較高。

仿真分析結(jié)果顯示優(yōu)化后在80～130 Hz頻率段內(nèi)駕駛員右耳噪聲傳遞函數(shù)（Noise Transfer Function，NTF）有明顯降低，總體在55 dB以下。其他頻率段內(nèi)，傳遞函數(shù)也有不同程度降低，基本能夠保證在55 dB以下，如圖3所示。

2 實車驗證

2.1 阻尼材料厚度修正

基于仿真分析優(yōu)化結(jié)果及現(xiàn)有產(chǎn)品實際厚度，修正車身阻尼板厚度從而實現(xiàn)工程化，修正后阻尼板厚度及變化量見表2。

表2 阻尼材料厚度修正結(jié)果 mm

設(shè)計變量優(yōu)化前優(yōu)化后修正后變化量 h156.77+2 h243.23-1 h385.15-3 h456.26+1 h567.37+1 h664.24-2 h764.14-2 h852.22-3

2.2 樣件裝車

依據(jù)修正結(jié)果制作阻尼板樣件并裝車驗證，地板及頂棚布置如圖4、圖5所示。

2.3 效果驗證

在粗糙瀝青路面，以80 km/h車速測試駕駛員右耳處噪聲水平，并與方案優(yōu)化前進行效果對比，客觀測試數(shù)據(jù)顯示，在問題頻率100～140 Hz范圍內(nèi)噪聲峰值下降2～3 dB（A），主觀評價車內(nèi)嗡嗡聲基本消除，車內(nèi)噪聲環(huán)境改善顯著，滿足設(shè)計要求。車內(nèi)噪聲測試數(shù)據(jù)如圖6所示。

3 結(jié)束語

1）車身阻尼材料的合理使用能夠降低100～140 Hz范圍的車內(nèi)噪聲水平；

2）仿真軟件能夠開展阻尼材料分布及厚度優(yōu)化工作，能夠快速提出優(yōu)化方案，實車驗證說明仿真分析結(jié)果的有效性，大大縮短開發(fā)周期，能夠滿足實際工程需要；

3）車身阻尼材料的合理使用不但可以降低成本還能有效控制車內(nèi)噪聲，為提升車輛NVH品質(zhì)提供了設(shè)計方向。

[1]李洪林. 瀝青阻尼材料在汽車上的應用與發(fā)展[J]. 汽車技術(shù)，2003（12）：34-36.

[2]朱林森，周鋐，趙靜. 基于模態(tài)應變能分析和板件單元貢獻分析的車身阻尼處理[J]. 汽車技術(shù)，2010（10）：8-11.

[3]吳楨，左言言，葛瑋. 車身阻尼處理降噪的有限元分析[J]. 噪聲與振動控制，2010，30（3）：81-84.

[4]鄧江華，劉獻棟，李興虎，等. 車身阻尼層結(jié)構(gòu)的聲靈敏度分析及優(yōu)化[J]. 噪聲與振動控制，2009，29（1）：54-57.

1002-4581（2017）03-0052-03

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10.14175/j.issn.1002-4581.2017.03.014