轎車車窗上升過程振動響應(yīng)及噪聲仿真

李文平，何川林，張 帥，陳 朝，田亞坤

(燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著人們生活品質(zhì)的提高，汽車消費(fèi)者對汽車車內(nèi)聽覺舒適度的要求也逐漸提高。車窗升降系統(tǒng)作為一個日常用車中被頻繁操作的系統(tǒng)，其NVH(noise vibration harshness)性能對車內(nèi)聽覺舒適度有十分重要的影響[1]。目前，各主機(jī)廠對車窗升降系統(tǒng)噪聲的控制主要是在有試制車之后，通過試驗測試分析產(chǎn)生噪聲的原因[2]，再反饋到設(shè)計部門做優(yōu)化，這種方法耗時耗力。為避免車窗系統(tǒng)噪聲控制過程中煩冗的噪聲測試再優(yōu)化的過程，本文通過對車窗上升過程進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真和聲學(xué)仿真，探究了無實車階段對車窗系統(tǒng)噪聲進(jìn)行預(yù)測的方法。

目前已有學(xué)者對車輛各子系統(tǒng)NVH性能預(yù)測做了大量的研究。趙業(yè)淼等[3]對發(fā)動機(jī)進(jìn)行多體動力學(xué)仿真，得到頻率響應(yīng)結(jié)果；將頻率響應(yīng)結(jié)果導(dǎo)入發(fā)動機(jī)有限元模型作為激勵，計算出了發(fā)動機(jī)的激勵位移響應(yīng)；通過聲學(xué)仿真軟件建立發(fā)動機(jī)邊界元模型，導(dǎo)入激勵位移響應(yīng)，計算出了發(fā)動機(jī)的聲壓分布，貢獻(xiàn)量分析得出油底殼聲壓貢獻(xiàn)量最大，對油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化成功地降低了發(fā)動機(jī)總體輻射噪聲。Copiello等[4]建立了排氣管道的聲學(xué)有限元模型，在聲學(xué)軟件中定義了一個標(biāo)準(zhǔn)聲源振幅，對排氣管道模型進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗證并計算了其聲傳遞損失；再以試驗測出的發(fā)動機(jī)噪聲為聲源，計算得到了排氣噪聲響應(yīng)；分析了排氣管道幾何形狀及內(nèi)部多孔材料對排氣噪聲的影響。王歡等[5]建立商用車駕駛室有限元模型并求解其自由模態(tài)，與試驗自由模態(tài)進(jìn)行對比修正了駕駛室有限元模型；運(yùn)用Virtual Lab軟件建立駕駛室聲學(xué)仿真模型，采集各內(nèi)飾部件的聲阻抗參數(shù)導(dǎo)入模型作為邊界條件，將試驗采集的駕駛室懸置點(diǎn)加速度作為模型激勵，仿真計算出駕駛室聲學(xué)響應(yīng)；通過板件貢獻(xiàn)量分析確定了噪聲貢獻(xiàn)最大的板件，通過添加自由阻尼層有效地降低了駕駛室內(nèi)聲壓級。Jean-Dupont等[6]對電動汽車的電機(jī)噪聲進(jìn)行了研究，根據(jù)麥克斯韋原理計算了由電磁現(xiàn)象引起的激勵力，通過電機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真得出此激勵力下電機(jī)的振動響應(yīng)；將電機(jī)振動響應(yīng)導(dǎo)入聲學(xué)仿真模型作為邊界條件計算出了電機(jī)噪聲，并對其進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗證；在此基礎(chǔ)上，對電機(jī)模型進(jìn)行缺陷驗證，得到了電機(jī)結(jié)構(gòu)缺陷對電機(jī)輻射噪聲的影響。

本文在前人研究基礎(chǔ)上提出了一種通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真及聲學(xué)仿真在車型開發(fā)數(shù)模階段預(yù)測車窗上升過程N(yùn)VH性能的方法。通過對密封條進(jìn)行單軸拉伸試驗及CLD(壓縮載荷)試驗，仿真修正了密封條的有限元模型；以試驗采集的玻璃升降電機(jī)本體振動加速度為激勵[7]，建立車窗上升過程的動力學(xué)仿真模型，從仿真結(jié)果中提取內(nèi)板對標(biāo)點(diǎn)的振動加速度與該處試驗值進(jìn)行對比，驗證了動力學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確度[8]；將車門系統(tǒng)上所有節(jié)點(diǎn)的仿真振動加速度導(dǎo)入聲腔模型中作為邊界條件，導(dǎo)入試驗測出的升降電機(jī)本體噪聲為聲源，建立車窗上升過程聲學(xué)仿真模型，從仿真結(jié)果中提取主駕左耳處聲壓響應(yīng)與該處試驗值進(jìn)行對比，驗證了聲學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 密封條有限元模型

1.1 密封條單軸拉伸試驗及本構(gòu)模型擬合

本文考慮導(dǎo)槽密封條和水切密封條與玻璃的摩擦振動響應(yīng)，需要對密封條進(jìn)行精準(zhǔn)建模[9]。密封條的材料是三元乙丙橡膠，為超彈性材料，其應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系需用應(yīng)變能函數(shù)進(jìn)行描述[10]。

根據(jù)國標(biāo)《GB/T528—2009》用萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行密封條單軸拉伸試驗，將密封條原件用裁刀裁成啞鈴狀，用測厚計測量其厚度，用打標(biāo)器標(biāo)定試驗段長度為25 mm，將制成的密封條樣件對稱地夾持在試驗機(jī)上、下夾持器上，夾持位置如圖1所示。

圖1 密封條單軸拉伸試驗裝置圖

試驗過程中，設(shè)置拉伸長度為25 mm，即變形率為100%，反復(fù)拉伸試樣20次以消除Mullins效應(yīng)[11]，第21次將試樣拉斷。若試樣在標(biāo)定段內(nèi)被拉斷，則作為試驗結(jié)果，反之，則重復(fù)進(jìn)行試驗。5組有效試驗數(shù)據(jù)中，在一致性較好的幾組中任選一組作為最終試驗結(jié)果，見表1所示。

表1 名義應(yīng)力-名義應(yīng)變

將表1中的試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入Abaqus軟件中進(jìn)行密封條本構(gòu)模型的擬合[12]，材料類型選擇超彈性材料，試驗數(shù)據(jù)類型選擇單軸拉伸試驗數(shù)據(jù)。

擬合得出Ogden3階模型和MARLOW模型與試驗數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 本構(gòu)模型擬合曲線

1.2 密封條壓縮載荷(CLD)測試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QCT 710—2004用萬能材料試驗機(jī)對密封條進(jìn)行壓縮載荷測試。從密封條原件上截取長度為(100±2)mm的5個試樣，將試樣固定在試驗機(jī)下工裝的上表面，使之與上工裝壓板平行，保證試驗中所施加的載荷作用線與試樣的中心線一致，安裝位置如圖3所示。

圖3 密封條CLD試驗裝置圖

試驗之前，手動調(diào)整試驗機(jī)上壓板至接近密封條上部但不接觸的狀態(tài)，設(shè)置下壓速度為 30 mm/min，密封條壓縮量為4 mm時停止壓縮。共進(jìn)行5組試驗，在一致性較好的幾組中任選一組作為最終試驗結(jié)果。

1.3 密封條有限元模型標(biāo)定

密封條與玻璃之間為摩擦振動，兩者剛度相差很大，振動主要由密封條單元微小且急速地蠕變產(chǎn)生，根據(jù)工程經(jīng)驗進(jìn)行橡膠材料摩擦振動有限元仿真時，需要精度極高的橡膠有限元模型。本文通過密封條CLD仿真并與試驗值對比來確定影響其模型精度的各項因素，這個過程即對密封條有限元模型的標(biāo)定。

根據(jù)密封條CLD測試樣件的實際幾何尺寸及約束建立密封條CLD仿真有限元模型，見圖4所示。

圖4 密封條有限元模型

密封條材料為擬合得出的超彈性材料本構(gòu)模型，模型底部為全約束固定，調(diào)整壓板單元的位置至剛要接觸密封條的狀態(tài)，對壓板施加垂向30 mm/min的速度，仿真時間設(shè)置8 s，即壓縮位移為4 mm。提取壓板上的壓縮反力，此壓縮反力即密封條的CLD值。

影響密封條有限元模型精度的主要因素為材料本構(gòu)模型、密封條單元類型、密封條和壓板的單元尺寸。本文擬合得出的密封條本構(gòu)模型為Ogden3階模型和MARLOW模型；Abaqus軟件中超彈性材料的單元類型為雜交單元，由于所能提供的參數(shù)限制，單元類型只能在C3D8H、C3D8RH、C3D8IH中選擇。根據(jù)工程經(jīng)驗密封條單元尺寸選擇0.5 mm，壓板單元尺寸為1 mm。

分別將2種本構(gòu)模型和3種單元類型組合代入密封條CLD仿真模型中，計算得出6種情況下的密封條仿真CLD值。將試驗CLD值與仿真CLD值對比，得出當(dāng)密封條本構(gòu)模型為Ogden3階，結(jié)構(gòu)單元類型為C3D8IH的情況下，密封條CLD仿真值與試驗值誤差最小，見圖5所示。

圖5 CLD仿真值與試驗值曲線

由圖5中可以看到：最大誤差百分比為8.3%，壓縮位移在3 mm以下時，仿真值與試驗值的誤差很小，玻璃與密封條的壓縮距離一般為2.5 mm，因此可以認(rèn)為該密封條有限元模型能用于車窗上升過程動力學(xué)仿真分析。

2 車窗系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型

2.1 升降電機(jī)本體及內(nèi)板對標(biāo)點(diǎn)振動加速度采集

玻璃升降電機(jī)通過3個安裝點(diǎn)固定在車門內(nèi)板上，電機(jī)運(yùn)行過程中，其本體振動通過3個安裝點(diǎn)對車門內(nèi)板持續(xù)激勵，本文通過試驗采集升降電機(jī)本體振動加速度作為車窗系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型的激勵[13]為驗證所建動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，在車門內(nèi)板上遠(yuǎn)離電機(jī)安裝點(diǎn)處確定一點(diǎn)為對標(biāo)點(diǎn)。通過試驗采集玻璃上升過程中對標(biāo)點(diǎn)的振動加速度，將對標(biāo)點(diǎn)的振動加速度試驗值與仿真值進(jìn)行對比用以指導(dǎo)動力學(xué)仿真模型的修正和準(zhǔn)確度驗證。對標(biāo)點(diǎn)振動測試位置及仿真值提取位置見圖6所示，仿真值提取點(diǎn)節(jié)點(diǎn)編號為1886747。

圖6 對標(biāo)點(diǎn)位置示意圖

運(yùn)用LMS信號采集系統(tǒng)和三向加速度傳感器分別采集車窗上升過程升降電機(jī)本體和車門內(nèi)板對標(biāo)點(diǎn)的振動加速度[14]。

2.2 建立車窗系統(tǒng)有限元模型

車窗系統(tǒng)主要包括車門鈑金、車窗玻璃、車門內(nèi)飾板、導(dǎo)槽密封條及水切密封條，將上述部件運(yùn)用hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，車門鈑金用8 mm的殼單元模擬，車窗玻璃和車門內(nèi)飾板用 6 mm的殼單元模擬，密封條用0.5 mm的六面體實體單元模擬。建立的車窗系統(tǒng)有限元模型見圖7所示。

圖7 車窗系統(tǒng)有限元模型示意圖

模型中的連接關(guān)系主要有焊點(diǎn)、焊縫、粘膠、螺栓，其中焊點(diǎn)用faster類型中的CONN3D2單元模擬；焊縫用beam類型中的COUP_KIN單元模擬；螺栓用rbe2單元模擬；膠粘用六面體單元C3D8/C3D6模擬，需保證六面體單元節(jié)點(diǎn)與連接鈑金殼單元節(jié)點(diǎn)對應(yīng)。

2.3 仿真參數(shù)及邊界條件的設(shè)置

車窗玻璃在正確的安裝位置時，密封條唇邊對玻璃有夾持作用，本文在Abaqus軟件中使用2個分析步來保證玻璃處于正確安裝狀態(tài)，step1對密封條施加微小的壓力使其唇邊張開，step2釋放唇邊壓力使密封條唇邊自動回彈與玻璃接觸，該過程完成了玻璃與密封條的正確裝配，在此狀態(tài)下密封條對玻璃有預(yù)壓力，如圖8所示。

圖8 玻璃與水切密封條裝配示意圖

車門通過鉸鏈和門鎖與車身相連，車門邊緣其他部分則是通過車門密封條與車身密封條彈性接觸，仿真模型中通過約束車門鉸鏈和門鎖處的3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度來固定車門系統(tǒng)[15]。車窗玻璃上升行程位移為425 mm，上升時間為3.1 s，本文考慮車窗玻璃勻速上升，對車窗玻璃施加位移約束，使其在3.1 s的時間內(nèi)上升到指定位置。仿真中將試驗采集到的升降電機(jī)本體振動加速度激勵通過安裝點(diǎn)輸入仿真模型。

2.4 計算結(jié)果分析及模型驗證

仿真計算得出車窗上升過程車門系統(tǒng)上所有節(jié)點(diǎn)的振動加速度。車門法向振動加速度響應(yīng)云圖如圖9所示。

圖9 車門振動加速度響應(yīng)云圖

為驗證動力學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確度，在仿真模型中提取內(nèi)板對標(biāo)點(diǎn)處的振動加速度仿真值與試驗值，如圖10所示。

圖10 振動加速度仿真值與試驗值曲線

由圖10可以看出，仿真值與試驗值在趨勢上較為一致，在幅值上有一定的誤差，計算得出振動加速度平均誤差為8.9%。由于建立動力學(xué)仿真模型時對模型進(jìn)行了簡化，去掉了對結(jié)構(gòu)剛度影響不大且自身振動較小的零部件，因此出現(xiàn)誤差是合理的，可以認(rèn)為該模型正確。

3 車窗系統(tǒng)聲學(xué)仿真模型

3.1 升降電機(jī)單體及主駕左耳處噪聲測試

本文考慮結(jié)構(gòu)振動噪聲，將升降電機(jī)近場噪聲測出，以噪聲源的形式輸入聲學(xué)模型中與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格做聲振耦合分析。運(yùn)用LMS信號采集系統(tǒng)和聲學(xué)麥克風(fēng)對升降電機(jī)近場噪聲進(jìn)行采集[16]，得到升降電機(jī)單體噪聲信號。

為驗證聲學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確性，運(yùn)用人工頭信號采集系統(tǒng)采集車窗玻璃上升過程中主駕左耳處的噪聲信號[17]，通過信號處理軟件計算出該處噪聲信號的聲壓級曲線，后續(xù)用來進(jìn)行聲學(xué)模型準(zhǔn)確性對標(biāo)。

3.2 仿真模型搭建及邊界條件設(shè)置

將包含車窗系統(tǒng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)振動信息的動力學(xué)仿真結(jié)果導(dǎo)入聲學(xué)仿真軟件中，基于動力學(xué)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格建立聲學(xué)耦合面，將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的振動信息映射到聲學(xué)耦合面上[18]。聲學(xué)耦合面為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的包絡(luò)網(wǎng)格，其網(wǎng)格尺寸大小依據(jù)求解的最高頻率確定，一般要求一個波長包含6～8個網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸計算公式為

(1)

式中：λ為波長，m；c為空氣域聲速，m/s；f為求解的最高頻率，Hz；L為聲學(xué)耦合面單元尺寸，m。 車窗上升過程的噪聲主要集中在4 000 Hz以內(nèi)，根據(jù)式(1)計算得出L為0.014 m。

考慮車窗上升過程中車內(nèi)的聲學(xué)響應(yīng)，建立四分之一車身的聲腔有限元網(wǎng)格，聲腔網(wǎng)格的尺寸要求與聲學(xué)耦合面網(wǎng)格要求一致。在聲腔有限元網(wǎng)格的外表面上定義聲學(xué)無限元邊界面，即聲波可以無反射地穿過該邊界向外自由擴(kuò)散。建立的聲學(xué)仿真模型如圖11所示。

圖11 四分之一車身聲學(xué)仿真模型示意圖

將動力學(xué)仿真得到的振動響應(yīng)結(jié)果導(dǎo)入模型定義振動聲源，將試驗測出的升降電機(jī)單體噪聲導(dǎo)入模型定義點(diǎn)聲源。聲腔中主駕左耳處設(shè)置為聲學(xué)響應(yīng)輸出點(diǎn)，求解模型4 000 Hz以內(nèi)的聲學(xué)響應(yīng)。

3.3 仿真結(jié)果分析及驗證

聲學(xué)仿真計算得出車窗上升過程中四分之一車身內(nèi)部各處的聲學(xué)響應(yīng)，車窗玻璃平穩(wěn)運(yùn)行時的聲壓云圖如圖12所示，可以看到聲壓級在50 dB附近變化，與試驗結(jié)果相符。

圖12 四分之一車身聲壓云圖

從聲學(xué)響應(yīng)輸出點(diǎn)提取車窗玻璃上升過程主駕左耳處的聲壓級仿真值與試驗值[19]，如圖13所示。

圖13 主駕左耳聲壓級仿真值與試驗值曲線

從圖13中可以看出仿真值與試驗值趨勢一致，但有一定的誤差。由于進(jìn)行聲腔建模時，去掉了車內(nèi)所有零部件，沒有考慮零部件及汽車內(nèi)飾的聲反射問題，將聲腔作為自由場進(jìn)行計算。計算得出平均聲壓級誤差在10%以內(nèi)，考慮到模型的簡化可以認(rèn)為仿真結(jié)果正確，模型能對車窗上升過程產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行有效預(yù)測。

4 結(jié)論

通過試驗和仿真結(jié)合的方法標(biāo)定密封條，得到了準(zhǔn)確的密封條有限元模型；建立了車窗上升過程的動力學(xué)仿真模型并進(jìn)行了驗證；以動力學(xué)仿真結(jié)果為振動聲源，以升降電機(jī)本體噪聲為點(diǎn)聲源，建立了聲學(xué)仿真模型，仿真計算得到了車窗上升過程中主駕左耳處的聲壓變化曲線。結(jié)論如下：

1) 對密封條進(jìn)行拉伸試驗擬合出本構(gòu)模型，通過密封條試驗CLD值與仿真CLD值對比標(biāo)定密封條有限元模型，得到較為準(zhǔn)確的密封條有限元模型。

2) 對車窗系統(tǒng)進(jìn)行簡化并建立了車窗上升過程的動力學(xué)仿真模型，誤差在合理范圍內(nèi)，其仿真結(jié)果對車門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的參考價值。

3) 通過對車窗上升過程進(jìn)行動力學(xué)和聲學(xué)仿真，得到了主駕左耳處準(zhǔn)確的聲壓響應(yīng)，運(yùn)用該方法可以在車型開發(fā)前期預(yù)測車窗升降系統(tǒng)的NVH性能，節(jié)省開發(fā)成本。