1、汽車振動噪聲分析方法概述一、經(jīng)典方法四分之一汽車模型和二分之一汽車模型。在設(shè)計初期或者在做模型研究的時候，往往采取這 種形式。這種模型一般用來分析汽車最基本的頻率和振型特征，也可以用作其他用途，如研 究汽車動力特性。概念設(shè)計階段，在知道了汽車基本參數(shù)之后，就可以迅速計算出整車的振 動特征。應(yīng)用軟件有MATLAB等。MATLAB是美國MathWorks公司開發(fā)的大型數(shù)學計算應(yīng)用軟件系統(tǒng)，它提供了強大的矩陣 處理和繪圖功能，簡單易用，可信度高，靈活性好，在世界范圍內(nèi)被科學工作者、工程師以 及大學生和研究生廣泛使用，目前已經(jīng)成為國際市場上科學研究和工程應(yīng)用方面的主導軟 件。二、有限元方法經(jīng)典方法只適

2、合于分析很低頻率的整體模態(tài)。如果要考慮整車中各個系和部件的局部振動， 以及修改汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計，上面的方法就無能為力了。汽車是一個彈性結(jié)構(gòu)，整體和局部振動 特征都很重要。于是在分析整車低頻振動問題和建立模型時，必須考慮到其結(jié)構(gòu)特征和彈性 特征。目前，用得最為廣泛的方法是有限元分析。在粗略分析整車各個系統(tǒng)振動特征時，可 以建立網(wǎng)格相對粗的模型。當要對整車振動特征進行細致分析時，就必須建立網(wǎng)格非常細的 模型。通常這種模型中節(jié)點間的距離僅為5mm，一部整車的有限元模型的節(jié)點和單元可以 達到幾百萬個甚至上千萬。有限元方法是一項非常成熟的分析方法，能夠準確的預估整車和 各個系統(tǒng)的模態(tài)和模態(tài)頻率，并且能動態(tài)演

3、示整車模態(tài)。有限元方法是用有限單元將結(jié)構(gòu)彈性域或空氣域離散化，根據(jù)力學方程或聲波動方程，得到 聯(lián)立代數(shù)方程式，通過求解代數(shù)方程式得到結(jié)構(gòu)彈性或聲傳播空氣域中的振動和聲特性。有 限元法需將結(jié)構(gòu)有限單元離散化。結(jié)構(gòu)劃分的單元愈多，自由度也就愈多，計算精度也愈高， 但計算時間也愈長。結(jié)構(gòu)劃分的單元的振動頻率必須高于要計算的整體結(jié)構(gòu)的振動頻率，否 則單元需進一步劃分。單元的劃分需與計算精度匹配。有限元分析方法在汽車方面的應(yīng)用有： 汽車零部件有限元分析、懸架結(jié)構(gòu)有限元分析、車架有限元分析、車身有限元分析、輪胎有 限元分析、汽車碰撞有限元分析和汽車結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計等。應(yīng)用軟件有ANSYS等。 ANSYS

4、軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。 由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor， IDEAS，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型； 分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力 學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬

5、多種物理介質(zhì) 的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、 梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部） 等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同 版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC， IBM，CRAY 等。三、邊界元方法有限元方法非常適合低頻結(jié)構(gòu)振動模擬和分析。有限元方法也可以模擬和分析振動和聲的耦 合，但對聲空間的模擬和分析基本沿用對結(jié)構(gòu)振動的處理方法，常常

6、限于封閉空間。當聲空 間體積增大，模態(tài)密度急劇增大，有限元方法的運算量急劇增大，此時有限元方法有局限性。 相比之下，邊界元方法對處理結(jié)構(gòu)聲輻射、聲散射和結(jié)構(gòu)聲腔問題有獨特的優(yōu)越性，因而在 實際中得到應(yīng)用。邊界元方法首先需要知道系統(tǒng)邊界條件。結(jié)構(gòu)邊界條件一般是如下三種之一：已知結(jié)構(gòu)表面的復聲壓（Dirichlet邊界）；已知機構(gòu)表面的復振動速度（Neuman邊界）；已知結(jié)構(gòu)表面的復阻抗（混合或Robin邊界）。邊界元方法需要結(jié)構(gòu)表面的復聲壓或復振動速度兩個物理量之一作為輸入，然后根據(jù)邊界條 件計算出結(jié)構(gòu)表面另一物理量。作為輸入，結(jié)構(gòu)表面的復聲壓或復振動速度可以實測得到， 也可以通過計算得到。對于

7、結(jié)構(gòu)表面復振動速度的計算，邊界元方法常常借用有限元方法。 整車結(jié)構(gòu)振動分析使用有限元模型，車內(nèi)空腔的聲場分析使用邊界元模型。應(yīng)用軟件有 SYSNOISE 等。SYSNOISE軟件是比利時一家國際著名的振動和聲學測試分析軟件公司-LMS公司的大型 聲學計算分析商品軟件。該軟件在聲學計算分析領(lǐng)域中占據(jù)國際領(lǐng)先地位，它為噪聲控制專 業(yè)工程技術(shù)人員提供了在產(chǎn)品設(shè)計開始階段，預報和解決聲學問題，受到一致好評。美國的 NASA （國家航空航天中心）、FORD汽車公司、MOTOROLA通訊公司和BOSE音箱公 司，國內(nèi)著名大學、研究所和一些著名的大公司，如哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、西北 工業(yè)大學、中船總

8、公司第701研究所、第719研究所、上海大眾汽車工業(yè)公司等都購買了 該軟件。其主要功能有：1、聲輻射計算聲輻射計算是SYSNOISE軟件最基本的功能。結(jié)構(gòu)振動時會產(chǎn)生聲輻射。結(jié)構(gòu)振動可以是 實際測得的速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，或者是由有限元或其他方法計算得到的速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。SYSNOISE本身具有振動響應(yīng)的有限元方法計算功能，也可以從測得的模態(tài)數(shù)據(jù)和給定的激 勵計算速度響應(yīng)SYSNOISE進一步可以利用這些數(shù)據(jù)計算結(jié)構(gòu)表面的聲壓和結(jié)構(gòu)周圍的聲 場分析。2、聲散射計算3、空氣噪聲傳遞計算:結(jié)構(gòu)-聲場耦合系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度分析Sysnoise的主要應(yīng)用方向：SYSNOISE預測聲波的輻射、散射和傳遞，以及聲學載

9、荷引起的聲學響應(yīng)?？捎嬎愕玫降慕Y(jié) 果包括：聲壓，輻射功率，質(zhì)點速度，聲強，板塊貢獻量，能量密度，聲一振靈敏度，純模 態(tài)，結(jié)構(gòu)撓度，等等。為了描述聲學媒質(zhì)，SYSNOISE利用了最先進的數(shù)字方法。它們基于直接和間接邊界元方法， 或者聲學有限元/無限元的聲學方程。結(jié)構(gòu)本身用結(jié)構(gòu)有限元模型表達，可以從所有主流結(jié) 構(gòu)有限元和網(wǎng)格生成工具導入。所有分析模塊都完全集成在核心環(huán)境中，支持多模型和三維 圖形。SYSNOSIS有強大的集成前、后處理功能，有網(wǎng)格檢查和修正工具。后處理可以畫彩圖，矢 量場，變形后的結(jié)構(gòu)，以及XY圖線，柱狀圖和極坐標圖，還包括動畫顯示和聲音回放。四、多體系統(tǒng)動力學方法多體系統(tǒng)是對某類

10、客觀事物的高度抽象和概括，這類系統(tǒng)都具有一個共同的特點，即它們都 是通過特定的關(guān)節(jié)（鉸鏈）將諸多零（部）件一即所謂的“體”聯(lián)接起來的；因此我們把多 體系統(tǒng)定義為以一定的聯(lián)接方式互相關(guān)聯(lián)起來的多個物體構(gòu)成的系統(tǒng)，這些物體可以是剛體 也可以是柔體。如果多體系統(tǒng)中所有的體均為剛體，則稱該系統(tǒng)為多剛體系統(tǒng)；如果多體系 統(tǒng)含有一個以上的柔體，則稱為柔性多體系統(tǒng)。多體系統(tǒng)動力學是一般力學學科的一個重要分支，其理論基礎(chǔ)為剛體動力學、分析力學、有 限元理論、連續(xù)介質(zhì)力學、計算力學、控制理論等。在汽車的應(yīng)用為：汽車碰撞過程中人體 動力學響應(yīng)仿真計算，懸架系統(tǒng)多體系統(tǒng)動力學等。應(yīng)用軟件的代表為ADAMS。ADAM

11、S，即機械系統(tǒng)動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），該軟件是美國 MDI 公司（Mechanical Dynamics Inc.）開發(fā)的 虛擬樣機分析軟件。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾 何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程， 對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，可以輸出位移、速度、加速度和反作用 力曲線。ADAMS 一方面是虛擬樣機分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛 擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和

12、動力學分析；另一方面，又是虛擬樣機分析開發(fā)工具，其 開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開 發(fā)工具平臺。|五、統(tǒng)計能量分析法統(tǒng)計能量分析是個模型化分析方法，它運用能量流關(guān)系式對復合的、諧振的組裝結(jié)構(gòu)進行動 力特性、振動響應(yīng)級及聲輻射的理論評估，是一種在時間上和空間上的統(tǒng)計特性，這些能量流 關(guān)系式在組成組裝結(jié)構(gòu)的各種耦合的子系統(tǒng)（如板、殼等）之間具有一個簡單的熱類比。在 應(yīng)用統(tǒng)計能量分析理論時,將車輛劃分為若干個子系統(tǒng)，并假定各子系統(tǒng)之間的主要能量流是 由于結(jié)構(gòu)共振或聲學模態(tài)引起的，即統(tǒng)計能量分析通常是關(guān)于各個共振振蕩器組之間的能量 或功率流分析。振動功

13、率損失和功率流動規(guī)律可以用水箱模型描述。統(tǒng)計能量分析作為一種分析方法，其更重要的作用在于列出主要噪聲貢獻，以及預測不同設(shè) 計對車內(nèi)噪聲的相對影響，目前，統(tǒng)計能量分析在預測和分析車內(nèi)空氣噪聲的應(yīng)用比較普遍， 而預測和分析車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲卻是研究的多，應(yīng)用的少。其中一個重要局限是在汽車研發(fā)初期 無法預測結(jié)構(gòu)耦合損耗因子。建立大量的類似結(jié)構(gòu)的耦合損耗因子數(shù)據(jù)庫可以在一定程度上 緩和這個局限性，但其工作量大，而且即使有了數(shù)據(jù)庫，可能仍然很難滿足車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲分 析的所有需求。另一方面，傳遞路徑分析方法發(fā)展很快，逐漸成為分析車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的主要 方法。應(yīng)用軟件有AutoSEA等。AutoSEA軟件是ESI公司開

14、發(fā)的基于統(tǒng)計能量分析（SEA）方法、針對中高頻噪聲振動分 析的結(jié)構(gòu)-聲學分析仿真軟件。ESI公司一直致力于統(tǒng)計能量分析方法的研究和軟件開發(fā)， 具有強大的技術(shù)力量。目前，最新版的AutoSEA2軟件全球市場占有率高達95%，應(yīng)用范 圍包括：飛機、汽車、船舶內(nèi)噪聲的預估、主要聲源及噪聲控制措施，船舶及潛艇的外噪聲 輻射，建筑、空調(diào)聲環(huán)境預測及電子產(chǎn)品等等，使用的公司涉及各行各業(yè)，包括汽車（通用、 福特、戴克、尼桑、豐田等）、航空航天（NASA、波音、空客、洛克希德-馬丁等）、船 舶 （US Navy、Electric Boat 等）、空調(diào)（Carrier、Daikin、Trane 等）以及IT（I

15、BM 等）。 具有強大的振動噪聲分析功能：除了具備常用的振動和聲學特性計算功能外，還具有 SHOCK、FOAM等功能模塊，以及各種吸聲降噪措施、蒙皮等邊界條件或噪聲控制措施的 模擬功能；極高的軟件可靠性和準確性：AutoSEA2經(jīng)過嚴格的開發(fā)和客戶廣泛的使用，證 明具有非常高的可靠性和準確性；優(yōu)秀的和服務(wù)：ESI公司提供強大的，AutoSEA2軟件最 新版本為2.5，包含了模型智能檢測、水下殼輻射等新增功能。汽車方面的應(yīng)用：進行各種車輛建模，實現(xiàn)內(nèi)部聲質(zhì)量、整車結(jié)構(gòu)噪聲、內(nèi)飾材料重量/花 費的最優(yōu)化設(shè)計。六、傳遞路徑分析方法復雜系統(tǒng)受多種振動噪聲源的激勵，每種激勵都可能通過不同的路徑，經(jīng)過衰減

16、，傳遞到多 個響應(yīng)點。為了降低振動噪聲，對各種傳遞路徑進行預測和分析，并采用矢量疊加方法。這 種分析方法就叫傳遞路徑分析方法，因為使用了矢量疊加方法又叫矢量疊加法。這種方法國 內(nèi)研究的還不多，但不難理解。傳遞路徑分析是用于分析振動聲學能量通過結(jié)構(gòu)和聲學路徑 從源到接受者的傳遞，目的是評價各路徑對總的振動噪聲量級的貢獻大小，使得工程師可以 識別出解決規(guī)定問題需要修改的部件。傳遞路徑分析中首先需要明確所需要分析的激勵點，這根據(jù)不同的問題而定。如，車身問題 只需考慮地盤與車身耦合出的力激勵；整車問題就要考慮車軸處、發(fā)動機懸置減振器處、空 氣壓縮機懸置減振器處，甚至活塞和氣缸缸壁之間的力激勵。明確所需

17、分析系統(tǒng)的耦合點后， 下一步就需要估計各種耦合激勵力和各種傳遞函數(shù)，工作量常常很大。建立一個整車傳遞路徑分析模型有很多方法。有純粹基于實驗測試的方法，也有純粹基于數(shù) 值計算來得到傳遞函數(shù)建立模型的方法。但更多的是混合應(yīng)用實驗和數(shù)值計算建立模型。 應(yīng)用軟件有LMS的TPA傳遞路徑分析軟件。LMS傳遞路徑分析軟件提供了用于數(shù)據(jù)處理 和結(jié)果顯示的許多有效的工具，成為試驗和設(shè)計工程師的好幫手。比利時LMS國際公司， 總部設(shè)在比利時魯文，專門為機械產(chǎn)品開發(fā)的功能品質(zhì)工程提供解決方案。公司開發(fā)的軟件， 生產(chǎn)的硬件及其它相關(guān)產(chǎn)品可以幫助工程人員根據(jù)運動學與動力學、平順性、操縱的穩(wěn)定性、 結(jié)構(gòu)的整合、振動、聲

18、學、NVH和疲勞歷程等特征對設(shè)計進行改進，這樣用戶就可以了解 并解決出現(xiàn)的問題。與此同時LMS先進的屬性優(yōu)化技術(shù)也就轉(zhuǎn)化成為LMS在市場上的戰(zhàn) 略性競爭優(yōu)勢。LMS提供的解決方案是以數(shù)字開發(fā)為基礎(chǔ)，以過程開發(fā)為中心，最終提高 生產(chǎn)廠家的勞動生產(chǎn)率。LMS公司的工程服務(wù)部門可以為整車的開發(fā)提供很多技術(shù)性支持， 從項目承包到問題診斷，技術(shù)轉(zhuǎn)讓，合作開發(fā)等等。LMS公司從1997年起已先后在北京、上海和廣州成立辦事處，并與同濟大學共建“同濟一 LMS汽車振動噪聲耐久性技術(shù)中心”，以加強對中國汽車CAE人才培養(yǎng)及。近幾年LMS 中國業(yè)務(wù)量保持年均增幅40%以上，客戶包括上海泛亞、上海大眾、一汽技術(shù)中心、一汽 大眾、東風、長安等整車及零部件制造商。七、模態(tài)綜合方法世紀60年代從航天工程中發(fā)展起來的解決復雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動問題的有效方法。美國W.C. 赫梯等人提出此法，以后被推廣應(yīng)用于非線性振動和隨機振動響應(yīng)分析。模態(tài)綜合是將一個 復雜結(jié)構(gòu)分解成若干個較為簡單的子結(jié)構(gòu)。在弄清各子結(jié)構(gòu)振動特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)對接面 上的協(xié)調(diào)條件將這些子結(jié)構(gòu)合成一總體結(jié)構(gòu)，然后利用各子結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)得出總體結(jié)構(gòu)的 振動形態(tài)。用此法進行系統(tǒng)固有特性的求解和動力響應(yīng)分析，只需計算子結(jié)構(gòu)的少