載重汽車駕駛室聲場(chǎng)中有限元技術(shù)的應(yīng)用

崔懷峰

(寧波工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 引 言

目前噪聲污染問題日益引起人們的重視，尤其在民用領(lǐng)域，隨著環(huán)境法規(guī)對(duì)于噪聲污染的限制日益嚴(yán)格以及客戶越來(lái)越苛刻的低噪聲需求，眾多汽車、飛機(jī)制造商以及零部件供應(yīng)商都投入了大量的人力物力研究封閉艙室的噪聲控制問題[1]。在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域，如何控制裝甲車、坦克等裝備內(nèi)的噪聲，以提高乘員的舒適性和戰(zhàn)斗效率也是迫切需要解決的問題。

封閉空腔中的薄壁結(jié)構(gòu)與可壓縮流體的聲固耦合問題長(zhǎng)期以來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一[2-3]。由流體動(dòng)態(tài)載荷引起的其環(huán)繞結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲問題在日常生活和工作中經(jīng)常遇到。近年來(lái)，隨著環(huán)保節(jié)能的要求以及新材料的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)的大量應(yīng)用也使得聲固耦合問題顯得尤為突出。更輕薄的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了聲固耦合效應(yīng)，特別是在封閉艙室內(nèi)，典型的結(jié)構(gòu)如車輛、飛機(jī)的艙室[4-5]。徹底理解聲固耦合系統(tǒng)特性，對(duì)于做好結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)、預(yù)估噪聲等級(jí)及噪聲的主被動(dòng)控制等都有重要的意義[6]。

對(duì)載重汽車駕駛室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用有限元技術(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)和聲學(xué)模態(tài)進(jìn)行分析，研究室內(nèi)聲場(chǎng)的耦合特性，為駕駛室結(jié)構(gòu)的合理化設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 載重汽車駕駛室結(jié)構(gòu)和腔室有限元模型

載重汽車駕駛室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)為2 290.0 mm(X向)、寬為2 090 mm(Z向)、平均高度為2 047.2 mm(Y向)。其中駕駛室的外部結(jié)構(gòu)主要包括有鋼板和玻璃，除兩側(cè)的兩對(duì)窗玻璃和前方擋風(fēng)玻璃外，其余全是鋼板；駕駛室內(nèi)部還有兩把座椅，焊接在駕駛室地板上。鋼板和玻璃的材料屬性見表1。

表1 駕駛室結(jié)構(gòu)材料屬性

采用Hypermesh進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，其中鋼板和玻璃板采用殼單元，座椅采用三維實(shí)體單元。駕駛室鋼板結(jié)構(gòu)和座椅網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1(a)所示。駕駛室鋼板、玻璃以及座椅所圍成的封閉空腔即為駕駛室腔室，腔內(nèi)聲介質(zhì)為室溫下的空氣，密度為1.225 kg/m3，聲速為340 m/s，忽略阻尼和聲導(dǎo)納系數(shù)。選取四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，腔室聲學(xué)有限元模型如圖1 (b)所示。由圖可見，網(wǎng)格類型全為四面體網(wǎng)格。最小單元長(zhǎng)度為6.2 mm，單元總數(shù)為52 421，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為85 068。

圖1 駕駛室結(jié)構(gòu)和腔室有限元模型

2 載重汽車駕駛室模態(tài)分析

2.1 駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

采用Abaqus對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，步驟包括：將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Abaqus，進(jìn)行裝配連接處理(即預(yù)處理)；設(shè)置計(jì)算步、給定邊界條件并選定網(wǎng)格類型；模態(tài)仿真計(jì)算及結(jié)果處理。

在進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分時(shí)，需要分別對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行劃分，并將所有部件裝配到一起再進(jìn)行連接處理。由于鋼板和玻璃之間以及鋼板和座椅之間的連接均為剛性連接，所以對(duì)于各部件之間的連接模擬采用Abaqus中的Tie連接處理。前擋風(fēng)玻璃及窗玻璃與鋼板的連接模擬采用點(diǎn)域?qū)c(diǎn)域的連接(NodeRegion-NodeRegion)，玻璃板網(wǎng)格與鋼板網(wǎng)格連接節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，其運(yùn)動(dòng)可保持連續(xù)性。駕駛室鋼板與座椅連接模擬采用面對(duì)面的連接(Surface-surface)。座椅與鋼板的連接為殼單元與三維實(shí)體單元的連接，網(wǎng)格也一一對(duì)應(yīng)。另外，載重汽車駕駛室受到底盤的約束作用，故在駕駛室底部平面四個(gè)角落區(qū)域分別施加6個(gè)自由度的固定約束，以模擬底盤的作用。

為求取駕駛室結(jié)構(gòu)的頻率及振型，設(shè)置頻率分析步，采用蘭索斯法(Lanczos)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算。駕駛室的結(jié)構(gòu)振型如圖2所示。由于高階模態(tài)振型對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能影響不大，因此文中主要研究低階模態(tài)振型。第1、2階振動(dòng)頻率都為7.8 Hz，主要為座椅的振動(dòng)，第1階振型為左側(cè)座椅前后振動(dòng)，見圖2(a)；第2階振型為右側(cè)座椅前后振動(dòng)(面向車前進(jìn)方向)，見圖2(b)；第3階固有頻率為7.9 Hz，振型為后圍壁板和側(cè)壁的耦合振動(dòng)，以后圍壁板振動(dòng)為主，見圖2(c)；第4階固有頻率為9.9 Hz，振型為側(cè)壁同向振動(dòng)，見圖2(d)。汽車駕駛室結(jié)構(gòu)主要為壁板結(jié)構(gòu)，剛性小，頻率低且分布密集。低階振型主要為駕駛室整體結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)，高階振型主要是各局部振型的組合振動(dòng)以及耦合振動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)正確的模態(tài)識(shí)別。

圖2 駕駛室的前4階結(jié)構(gòu)振型

2.2 駕駛室腔室聲學(xué)模態(tài)分析

利用LMS virtual lab13.3軟件中的分塊蘭索斯法(Block Lanczos)對(duì)駕駛室空腔進(jìn)行聲學(xué)模態(tài)計(jì)算。前4階駕駛室聲學(xué)模態(tài)振型如圖3所示。

圖3 駕駛室的前4階聲學(xué)模態(tài)振型

第1階聲學(xué)模態(tài)振型為前后方向的波動(dòng)，具有一個(gè)接近零聲壓的節(jié)面，法線方向與車前進(jìn)方向平行，見圖3 (a)；第2階聲學(xué)模態(tài)振型為左右方向的波動(dòng)，具有一個(gè)接近零聲壓的節(jié)面，法線方向與側(cè)壁面垂直，見圖3 (b)；第3階聲學(xué)模態(tài)振型為上下方向的波動(dòng)，具有一個(gè)接近零聲壓的節(jié)面，法線方向與側(cè)壁面平行，見圖3 (c)；第4階聲學(xué)模態(tài)振型具有兩個(gè)在頂棚處相互交錯(cuò)的接近零聲壓的節(jié)面，可視為第1階振型和第2階振型的耦合波動(dòng)，見圖3 (d)。隨著階數(shù)的增加，零聲壓節(jié)面數(shù)量隨之逐漸增多，有些較高階模態(tài)振型可視為較低兩階、三階甚至是多階模態(tài)振型的耦合。而階數(shù)越高，聲學(xué)模態(tài)振型也越復(fù)雜，零節(jié)面也不再清晰，而呈現(xiàn)出的是錯(cuò)綜復(fù)雜的零聲壓線。

3 駕駛室內(nèi)耦合聲場(chǎng)特性分析

在Abaqus中采用Tie連接實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)波動(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)兩個(gè)計(jì)算域參數(shù)的相互傳遞，以模擬聲固耦合；采用Lanczos對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)和聲腔的耦合模態(tài)進(jìn)行計(jì)算。駕駛室內(nèi)空氣體積模量為1.39×105Pa。

絕大多數(shù)聲固耦合模態(tài)振型與相應(yīng)結(jié)構(gòu)模態(tài)振型十分接近，因限于篇幅本文僅提取前4階聲固耦合模態(tài)振型，如圖4所示，其中，POR表示聲壓。由圖可見，前4階耦合模態(tài)振型與相應(yīng)結(jié)構(gòu)模態(tài)振型十分接近，因此耦合模態(tài)主要受結(jié)構(gòu)壁板振動(dòng)的影響，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值較大的地方，聲壓也較大。

圖4 駕駛室內(nèi)前4階聲固耦合模態(tài)振型

另外，小部分的耦合模態(tài)振型和聲學(xué)模態(tài)振型十分相似，比如第61、82、108和116階的耦合模態(tài)振型分別與第1、2、4和5階聲學(xué)模態(tài)振型相似，見圖5。上述耦合模態(tài)和聲模態(tài)的頻率也相同，因此耦合模態(tài)主要受聲模態(tài)所影響，結(jié)構(gòu)壁板振動(dòng)對(duì)其影響較小。

由上分析可知，對(duì)聲固耦合起主導(dǎo)作用的是結(jié)構(gòu)模態(tài)或聲模態(tài)，即結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲模態(tài)之間并沒有產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合效應(yīng)，室內(nèi)聲場(chǎng)主要受結(jié)構(gòu)模態(tài)或者聲模態(tài)的影響。以上主要討論模態(tài)振型與駕駛室內(nèi)聲場(chǎng)之間的關(guān)系，下面分析模態(tài)頻率對(duì)室內(nèi)聲場(chǎng)的影響。

結(jié)構(gòu)、聲腔和耦合模態(tài)頻率隨階數(shù)變化曲線如圖6所示，并分別取其前300階模態(tài)。由圖可知，駕駛室結(jié)構(gòu)固有頻率分布比較密集和均勻，相鄰階數(shù)之間的頻率值相差不超過6.0 Hz，最低頻率為7.8 Hz，而第300階固有頻率為268.5 Hz；駕駛室聲腔頻率隨著階數(shù)的增加曲線趨于平緩，即低階聲腔頻率分布比較分散，相鄰階數(shù)之間的頻率差值較大，而高階聲腔頻率分布較密集，相鄰階數(shù)之間的頻率差值較小；聲-固耦合模態(tài)頻率與結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率十分接近，前100階頻率幾乎重合，大于100階的模態(tài)頻率，前者略低于后者。耦合模態(tài)頻率和結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率都遠(yuǎn)小于聲腔模態(tài)頻率，因此結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)之間不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合效應(yīng)，腔內(nèi)聲場(chǎng)主要受結(jié)構(gòu)模態(tài)所影響，這與從模態(tài)振型來(lái)分析室內(nèi)聲場(chǎng)特性所得結(jié)論是一致的，也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的駕駛室結(jié)構(gòu)是合理的。

圖5 聲固耦合模態(tài)振型

圖6 結(jié)構(gòu)、聲腔和耦合模態(tài)頻率

4 結(jié) 論

應(yīng)用有限元技術(shù)研究復(fù)雜封閉空腔-載重汽車駕駛室內(nèi)聲場(chǎng)特性，預(yù)測(cè)駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)：

(1) 駕駛室內(nèi)噪聲場(chǎng)主要受結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)所影響，結(jié)構(gòu)-聲耦合效應(yīng)不明顯，即結(jié)構(gòu)和聲腔沒有產(chǎn)生共振。

(2) 絕大多數(shù)耦合模態(tài)頻率等于或接近結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率，即耦合頻率由結(jié)構(gòu)模態(tài)所主導(dǎo)，聲模態(tài)對(duì)耦合頻率影響較小。

(3) 通過有限元對(duì)駕駛室進(jìn)行模態(tài)分析，預(yù)測(cè)室內(nèi)聲場(chǎng)，為駕駛室聲學(xué)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 滕 增,唐鵬軒.基于Acoustics的工程機(jī)械駕駛室結(jié)構(gòu)噪聲分析[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2017,43(5):47-50.

[2] Cui H F, Hu R F, Chen N. Modeling and analysis of acoustic field in a rectangular enclosure bounded by elastic plates under the excitation of different point force[J]. Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control, 2017, 36(1): 43-55.

[3] Yuki Noguchi,Takashi Yamamoto,Takayuki Yamada,Kazuhiro Izui,Shinji Nishiwaki. A level set-based topology optimization method for simultaneous design of elastic structure and coupled acoustic cavity using a two-phase material model[J]. Journal of Sound and Vibration, 2017(404): 15-30.

[4] 張代勝,莊雋濤.客車車內(nèi)噪聲聲固耦合分析與優(yōu)化[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,37(1):10-13.

[5] 歐 鍵,劉美志,楊鄂川,等.某特種車車內(nèi)低頻噪聲分析與改進(jìn)[J].噪聲與振動(dòng)控制, 2016,36(2):121-125.

[6] 張頻捷,張立軍,夢(mèng)德建,等.汽車車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)布放優(yōu)化方法[J].振動(dòng)與沖擊,2017,36(5):169-175.