基于加筋板振動力學(xué)理論的車身阻尼材料設(shè)計

張 宇，王夢翔，楊家友，李 進(jìn)

（1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401331；2汽車噪聲振動與安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 401122；3東風(fēng)小康汽車有限公司汽車技術(shù)中心，重慶 400039）

1 引言

汽車NVH性能是駕乘人員的直觀感受，往往直接影響消費者的購買意愿和使用滿意度。車輛在怠速或加速工況的某個轉(zhuǎn)速下若驟然有明顯壓迫耳膜感的轟鳴（Booming）噪聲[1?2]，這極易引起人耳不適，甚至頭暈、惡心，難以接受的舒適度必將導(dǎo)致駕乘人員產(chǎn)生抱怨和提起投訴。而低頻轟鳴噪聲是一種極難控制和消除的噪聲[3]，因此它成為汽車NVH性能研究的焦點之一。解決車內(nèi)轟鳴噪聲問題通常有以下途徑：控制振動傳遞，衰減車身激勵[4]；加強(qiáng)壁板剛度，降低輻射噪聲[5]；優(yōu)化結(jié)構(gòu)頻率，避免聲固耦合[6?7]。

其中，在車身壁板進(jìn)行阻尼處理，可提高車身壁板的吸隔聲性能，是降低車內(nèi)低頻噪聲的重要手段[8?10]。但是阻尼材料的使用會造成車身質(zhì)量的增加，進(jìn)而帶來更大的質(zhì)量慣性與滾動阻尼，影響燃油經(jīng)濟(jì)性[11]。因此，合理的阻尼處理，不但可達(dá)到控制噪聲的目的，而且可以滿足輕量化設(shè)計要求。

采用聲固耦合仿真技術(shù)模擬某車型車內(nèi)噪聲水平，并通過研究加筋板結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)性能，提出車身阻尼材料設(shè)計方案，以期為低噪聲車身鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考和方案借鑒。

2 加筋板動力學(xué)理論

設(shè)一加筋板結(jié)構(gòu)，如圖1所示?；搴穸葹閠，長為a，寬為b，彈性模量為E，剪切模量為G，密度為ρ，泊松比為μ。沿X軸加強(qiáng)筋間距為a1，沿Y軸加強(qiáng)筋間距為b1。

圖1 加筋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Stiffened Plate Structure

基板中面任一點的振動位移用向量表示為：

式中：u v w—基板中面沿x，y，z方向的位移；θx θy—基板中面法線在x-z平面和y-z平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角。

由Mindlin理論得基板應(yīng)變能為：

式（3）、式（5）將加強(qiáng)筋上的模態(tài)應(yīng)變能“平攤”到基板上。將式（2）與式（3）、式（5）相加即得到加筋板基板應(yīng)變能[12]。

加筋板具有質(zhì)量輕，剛度大的特點，在車身上得到普遍應(yīng)用。上述研究可為車身壁板阻尼材料設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

3 車內(nèi)加速噪聲評價

在車型正向開發(fā)CAE仿真階段，運用聲固耦合仿真技術(shù)模擬外部激勵下車內(nèi)噪聲水平，可以提前預(yù)估NVH性能，盡早開展優(yōu)化工作，從而縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。

在某MPV車型開發(fā)CAE分析階段，為模擬預(yù)測加速工況下車內(nèi)噪聲水平，建立白車身?開閉件?聲腔耦合仿真計算模型。在動力總成左、右懸置被動端和副車架與車身安裝點施加（20～200）Hz的白噪聲單位激振力，如圖2所示。計算得到車內(nèi)噪聲測點噪聲性能，如圖3所示。

圖2 車內(nèi)噪聲激振點示意Fig.2 The Noise Excitation Point Inside Car

圖3 車內(nèi)噪聲測點聲學(xué)性能Fig.3 Acoustic Performance of Noise Measurement Point in car

由圖3 可知，車內(nèi)前、后排在42Hz、45Hz、47.5Hz、53.5Hz的低頻域集中出現(xiàn)多個明顯噪聲峰值。這類低頻噪聲很可能成為實車加速轟鳴誘發(fā)因素。因此，需要引起關(guān)注并采取預(yù)防措施。

4 車內(nèi)噪聲原因分析

4.1 車室聲腔模態(tài)分析

為進(jìn)一步研究該車型加速工況下車內(nèi)噪聲性能，對車室聲腔模態(tài)頻率進(jìn)行分析。由于座椅對低階聲腔模態(tài)頻率影響較大，在進(jìn)行聲腔建模時引入座椅表面蒙皮結(jié)構(gòu)。通過有限元仿真計算，獲知一階聲腔模態(tài)頻率為46.15Hz，模態(tài)振型，如圖4 所示。由圖4可知，后排座椅區(qū)域車室空氣壓強(qiáng)變化較前排明顯，且一階聲腔模態(tài)頻率與車內(nèi)低頻噪聲主要峰值頻率耦合。表明車內(nèi)低頻噪聲峰值是由于聲固耦合所致。下一步工作則是針對問題頻率尋找車身壁板振動激勵源。

圖4 一階聲腔模態(tài)振型Fig.4 First?Order Acoustic Cavity Mode Shape

4.2 車身壁板振動分析

面積較大的車身鈑金覆蓋件極易在外界振動激勵下產(chǎn)生輻射噪聲，也因低階模態(tài)頻率分布密集而易與聲腔模態(tài)頻率耦合引起轟鳴問題。車身頂蓋、側(cè)圍壁板、地板等區(qū)域皆為大面積鈑金覆蓋件，應(yīng)引起重點關(guān)注。通過分別對上述車身大面積鈑金覆蓋件的模態(tài)頻率進(jìn)行計算獲知，該車型頂蓋存在頻率為44.98Hz的局部模態(tài)，如圖5所示。該頻率與加速工況下車內(nèi)低頻噪聲主要貢獻(xiàn)頻率和車室聲腔模態(tài)頻率基本吻合，而且振幅區(qū)域主要位于后排座椅上方，頂蓋上下拍動極易引起后排座椅附近空氣壓強(qiáng)變化從而導(dǎo)致車內(nèi)噪聲更加突顯。這在圖3中已得到體現(xiàn)。至此可以初步判斷車身頂蓋是導(dǎo)致加速工況下車內(nèi)后排低頻噪聲峰值明顯的主要因素之一。

圖5 車頂后部局部模態(tài)振型Fig.5 Partial Mode Shape at Rear of Roof

5 車內(nèi)噪聲優(yōu)化控制

5.1 控制措施

欲改變聲腔模態(tài)頻率和車身鈑金結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率需要重新設(shè)計車身內(nèi)部尺寸和車身鈑金結(jié)構(gòu)，影響整個車型開發(fā)周期和設(shè)計方案。而在車身鈑金件上敷設(shè)合理的阻尼材料可抑制車身壁板在外界激勵下的振動幅值，從而降低輻射噪聲，實現(xiàn)改善車內(nèi)噪聲性能的目的。根據(jù)第2節(jié)內(nèi)容，為獲知頂蓋上合理的阻尼層鋪設(shè)位置，首先需要獲知模態(tài)應(yīng)變能分布。計算得到頂蓋在（40～55）Hz低頻范圍內(nèi)各階模態(tài)綜合應(yīng)變能，如圖6所示。

車身頂蓋為典型的加筋板結(jié)構(gòu)，從圖6可知其模態(tài)應(yīng)變能主要集中分布于尾部兩根加強(qiáng)筋上。故難以據(jù)此設(shè)計精準(zhǔn)的阻尼層布局。因此，需要運用加筋板動力學(xué)理論，將加強(qiáng)筋的應(yīng)變能“平攤”到頂板上，從而為阻尼層設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

圖6 車頂后部局部模態(tài)應(yīng)變能Fig.6 Modal Strain Energy at Rear of Roof

由結(jié)構(gòu)對稱性，將頂板阻尼層敷設(shè)預(yù)留位置分為A?F六個板塊。根據(jù)式（3）、式（5），將頂蓋尾部兩根加強(qiáng)筋上的應(yīng)變能沿車身前?后、左?右方向“平攤”到頂板上，并考慮制造工藝可行性，各板塊阻尼層面積比，如表1所示。

表1 各板塊阻尼層面積比Tab.1 Damping Layer Area Ratio of Each Plate

最終得到頂蓋阻尼層空間布局，如圖7所示。在阻尼材料建模時，選用某常用品牌粘貼型約束阻尼材料，其性能參數(shù)，如表2所示。

圖7 頂蓋阻尼層空間布局Fig.7 Roof Damping Layer Space Layout

表2 頂蓋阻尼層材料性能參數(shù)Tab.2 Roof Damping Layer Material Performance Parameters

5.2 效果驗證

計算得到80Hz低頻范圍內(nèi)頂蓋粘貼阻尼材料后車內(nèi)后排噪聲聲壓級，如圖8所示。

從圖8分析可知，當(dāng)頂蓋敷設(shè)阻尼材料后，車內(nèi)后排座椅噪聲測點在（40～55）Hz低頻段內(nèi)噪聲峰值衰減10dB（A）以上。表明本文提出的阻尼材料設(shè)計方案對車內(nèi)加速噪聲改善效果明顯。

圖8 頂蓋阻尼材料優(yōu)化對車內(nèi)后排噪聲影響Fig.8 The Change of Noise in Car After Roof Damping Material Optimization

6 結(jié)論

（1）運用加筋板動態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，將集中于加強(qiáng)筋上的應(yīng)變能轉(zhuǎn)移到基板上，可作為車身壁板阻尼材料設(shè)計依據(jù)。

（2）結(jié)合某車型加速工況下車內(nèi)噪聲仿真分析實例，根據(jù)加筋板結(jié)構(gòu)應(yīng)變能計算理論，提出了一種頂蓋阻尼材料設(shè)計方案，經(jīng)驗證該方案使關(guān)注頻段的車內(nèi)噪聲峰值衰減10dB（A）以上。