車身聲腔模態(tài)有限元分析方法研究

盧元燕，郟超，原孝菊

車身聲腔模態(tài)有限元分析方法研究

盧元燕，郟超，原孝菊

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車身聲腔模態(tài)是整車NVH性能設(shè)計(jì)的重要因素，聲腔模態(tài)的準(zhǔn)確分析對(duì)前期性能設(shè)計(jì)具有重要意義。文章對(duì)車內(nèi)聲腔模態(tài)的建模方法進(jìn)行了深入研究，對(duì)現(xiàn)有三種聲腔建模方法進(jìn)行對(duì)比，提出了一種新的考慮儀表臺(tái)下部空氣流通的車身聲腔模態(tài)分析方法，并通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證新方法具有較高準(zhǔn)確性。

聲腔模態(tài)；車身；有限元分析；模態(tài)試驗(yàn)

引言

當(dāng)今消費(fèi)者對(duì)汽車舒適度越來(lái)越重視，汽車NVH（噪聲、振動(dòng)、舒適性）性能已經(jīng)成為影響顧客購(gòu)車的一個(gè)重要因素。汽車車內(nèi)噪聲作為汽車NVH的重要性能指標(biāo)之一，消費(fèi)者對(duì)該要求也更加重視，車身聲腔模態(tài)是影響車內(nèi)噪聲的重要因素之一[1]。

車內(nèi)空間是乘員最直觀地體驗(yàn)區(qū)域，它是由車身圍成的一個(gè)封閉空腔，內(nèi)部充滿空氣，車內(nèi)空氣所形成的空間就是車身聲腔，同任何結(jié)構(gòu)一樣，它也擁有模態(tài)頻率和模態(tài)振型，即所謂的聲腔模態(tài)。車身聲腔由車內(nèi)內(nèi)飾或鈑金形狀、空間大小決定。在設(shè)計(jì)初期通過(guò)有限元分析確定車內(nèi)空腔的聲場(chǎng)分布以及模態(tài)振型具有重要意義，能夠根據(jù)車輛的基本參數(shù)有效地對(duì)車身結(jié)構(gòu)、車內(nèi)聲學(xué)特性進(jìn)行優(yōu)化匹配，從而避免許多共振問題產(chǎn)生，提高車內(nèi)的聲品質(zhì)。目前針對(duì)車身聲腔模態(tài)的有限元分析方法有多種形式，本文提出了一種新的考慮儀表臺(tái)下部空氣流通的車身聲腔模態(tài)分析方法，與現(xiàn)有分析方法進(jìn)行了分析對(duì)比，并通過(guò)Lms Test_lab 模態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)某實(shí)車車內(nèi)空腔聲學(xué)模態(tài)頻率和模態(tài)形狀進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新的分析方法具有更高的準(zhǔn)確性。

1 理論

聲腔模態(tài)的計(jì)算是基于經(jīng)典的聲學(xué)理論[2]。在無(wú)阻尼、無(wú)外在載荷情況下流場(chǎng)內(nèi)波動(dòng)方程的有限元矩陣形式如式（1）所示。

式中：M為流體等效質(zhì)量矩陣；K為流體等效剛度矩陣；為單元節(jié)點(diǎn)壓力。

方程（1）求解過(guò)程與結(jié)構(gòu)模態(tài)的振動(dòng)方程一致，所以通過(guò)方程（1）可得聲腔波動(dòng)的特征方程如（2）所示，通過(guò)方程（2）即可計(jì)算得到聲腔模態(tài)的頻率。

K?λMp= 0 （2）

2 聲腔模態(tài)有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文通過(guò)Hypermesh 前處理軟件對(duì)聲腔進(jìn)行了網(wǎng)格模型建立，通過(guò)Nastran軟件對(duì)聲腔進(jìn)行了模態(tài)分析[3]。設(shè)計(jì)前期基于車身內(nèi)飾造型面和白車身概念數(shù)據(jù)進(jìn)行聲腔建模，整體聲腔模型采用實(shí)體網(wǎng)格建模，設(shè)置為流體單元。

目前針對(duì)車身聲腔模態(tài)的有限元建模方法主要有三種形式，差別在于如何考慮座椅和儀表臺(tái)的建模。

方法一：聲腔模型僅由車內(nèi)空腔一個(gè)整體組成，如圖1所示。整體聲腔模型定義為流體材料屬性，空氣密度為1.29 kg/m3，聲速為340 m/s。

圖1 車身整體聲腔模型

方法二：聲腔模型由內(nèi)部座椅和其余車內(nèi)空腔兩部分組成，如圖2所示?；诼曇粼诓煌橘|(zhì)中的傳播速度不同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將座椅中的空氣密度設(shè)置為空氣的10倍?；诳諝獾目闪魍ㄐ?，座椅模型表面和內(nèi)部聲腔通過(guò)共節(jié)點(diǎn)處理。

圖2 帶座椅的聲腔模型

方法三：聲腔模型由內(nèi)部座椅+除去主副儀表臺(tái)部分的車內(nèi)空腔兩部分組成，相比方法二，有些學(xué)者認(rèn)為儀表臺(tái)無(wú)法進(jìn)行空氣流通，在整體空腔的基礎(chǔ)上把前部?jī)x表臺(tái)部分區(qū)域刪除，不予考慮，模型如圖3所示。

圖3 考慮座椅除去儀表臺(tái)的聲腔模型

根據(jù)工程實(shí)際情況，儀表臺(tái)上部表面區(qū)域與車內(nèi)整體聲腔無(wú)法形成空氣流通，但是主儀表臺(tái)下部是開口的，與車內(nèi)整體聲腔相互連通，為此本文提出了一種更接近實(shí)際情況的建模方法，建立儀表臺(tái)模型，儀表臺(tái)模型下部與整體聲腔共節(jié)點(diǎn)處理，其他表面區(qū)域?yàn)樽杂蛇吔?，如圖4所示。儀表臺(tái)內(nèi)部空氣通過(guò)下部與整體空腔流通，內(nèi)部空氣屬性與整體空腔一致。

圖4 儀表臺(tái)建模方法

新的建模方法中聲腔模型包含內(nèi)部座椅、主副儀表、除去座椅和主副儀表臺(tái)的車內(nèi)其余聲腔三個(gè)部分，整體模型如圖5所示。

圖5 考慮座椅和儀表臺(tái)的聲腔模型

2.2 仿真分析結(jié)果

針對(duì)某車型車內(nèi)聲腔，使用以上四種分析方法分別建立了不同的聲腔模型，并對(duì)每個(gè)模型的前200 Hz模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算。聲腔一階縱向模態(tài)是實(shí)際設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)，因此本文重點(diǎn)對(duì)該模態(tài)進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。

表1 聲腔模態(tài)仿真分析結(jié)果

分析方法頻率/Hz振型圖 方法一55.15 方法二50.15 方法三70.14 新方法46.03

由表1結(jié)果可知，四種方法計(jì)算得到的模態(tài)結(jié)果和振型均存在較大差異。方法三計(jì)算得到的結(jié)果為70.14 Hz，數(shù)值最大，與其他三種方法之間的差異也最大；方法一和新方法與方法二之間存在±5 Hz的差別；新方法計(jì)算得到的模態(tài)結(jié)果為46.03 Hz，數(shù)值最小。由表1中振型可以看出方法二和方法三較為接近，與方法一和新方法的振型均有較大差異。

3 聲腔模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試模型建立

為了驗(yàn)證新方法分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在半消聲室內(nèi)對(duì)某車型車身聲腔模態(tài)進(jìn)行了物理試驗(yàn)測(cè)試[4]。在行李箱處使用中低頻聲源進(jìn)行白噪聲激勵(lì)。車輛門窗關(guān)閉，從前到后布置6排5列傳感器，共189個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖6所示，通過(guò)移動(dòng)聲傳感器的位置，測(cè)試聲響應(yīng)。

圖6 傳感器位置

3.2 測(cè)試結(jié)果

車身聲腔模態(tài)物理試驗(yàn)測(cè)試得到聲腔一階縱向模態(tài)為46.5 Hz，頻率響應(yīng)曲線如圖7所示。新的聲腔模態(tài)分析方法得到的一階縱向模態(tài)為46.03 Hz，與試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果相比誤差為?1%，與其他分析方法結(jié)果相比結(jié)果更準(zhǔn)確，精度更高。

圖7 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試與新方法分析得到的振型對(duì)比如圖8所示，振型也基本一致。

圖8 試驗(yàn)和仿真一階縱向模態(tài)振型對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出的考慮儀表臺(tái)模型的車身聲腔模態(tài)分析方法將儀表臺(tái)與整體聲腔連通部分共節(jié)點(diǎn)建模，建模更加合理，進(jìn)一步提升了分析模型的完整性和準(zhǔn)確性。

通過(guò)聲腔模態(tài)物理試驗(yàn)對(duì)實(shí)際車身聲腔模態(tài)進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)得到的一階縱向模態(tài)與新方法分析的結(jié)果高度吻合，驗(yàn)證了該方法的有效性，為車身聲腔模態(tài)精確分析提供了重要指導(dǎo)意義。

[1] 卓建明.某客車車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與聲腔模態(tài)分析[J].客車技術(shù)與研究,2017,39(04):46-48.

[2] 劉成武,黃鼎鍵,鐘勇.基于NVH的車內(nèi)聲腔模態(tài)分析[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009,7(04):347-350.

[3] 章超,劉潤(rùn)琴,董婷.基于Hypermesh的車身空腔模態(tài)仿真分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018(16):273-274.

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

Research on the Finite Element Analysis Method of the Car Body Sound Cavity Mode

LU Yuanyan, JIA Chao, YUAN Xiaoju

( Anhui Jianghuai Automotive Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The acoustic cavity mode of the vehicle body is an important factor in the NVH performance design of the vehicle, and the accurate analysis of the acoustic cavity mode is of great significance to the early performance design. In this paper, the in-vehicle acoustic cavity modal modeling method is deeply studied, and the three existing acoustic cavity modeling methods are compared, and a new vehicle body acoustic cavity modal analysis method that considers the air circulation under the instrument panel is proposed. The actual modal test is carried out, and the test results verify that the new method has high accuracy.

Cavity mode; Vehicle body; Finite element analysis; Modal test

U467.1

A

1671-7988(2021)24-94-03

U467.1

A

1671-7988(2021)24-94-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.021

盧元燕（1984—），女，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，主要研究方向：汽車NVH性能設(shè)計(jì)，車身CAE分析。