基于聲固耦合的車身板件阻尼處理研究

1車上阻尼處理考慮到影響車輛在汽車內(nèi)的低頻噪聲，駕駛員乘坐室的單元振動(dòng)是引起汽車內(nèi)噪聲的主要原因。由于在板件上粘貼和敷設(shè)阻尼材料比較容易,且對(duì)低頻噪聲的降低效果明顯,因而對(duì)車身板件的阻尼處理在汽車工程中應(yīng)用廣泛。在車身上進(jìn)行阻尼處理時(shí),阻尼處理的位置與面積直接影響到降噪效果。整體粘貼阻尼層的降噪效果比有目的地選擇性粘貼要差,而且還會(huì)引起若干次峰值。另外,阻尼處理會(huì)帶來汽車總質(zhì)量的增加,進(jìn)而帶來更大的質(zhì)量慣性與滾動(dòng)阻力,最終影響汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。為此,應(yīng)提高阻尼材料的利用率,在取得預(yù)期降噪效果的前提下盡可能少地使用阻尼材料。本文基于汽車車身有限元模型與乘坐室空腔有限元模型,以聲固耦合方法作為車內(nèi)噪聲分析預(yù)測(cè)手段,分別利用車身模型的模態(tài)應(yīng)變能信息和板件單元貢獻(xiàn)信息為指標(biāo),確定對(duì)車身板件進(jìn)行阻尼處理的位置和面積,并從理論和實(shí)例上比較了2種方法的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合。2車內(nèi)模態(tài)信息的計(jì)算首先計(jì)算出白車身的模態(tài)信息,因?yàn)殇摪迨擒嚿淼闹饕獦?gòu)件,對(duì)白車身的有限元建模也主要采用板單元。然后計(jì)算出車內(nèi)空腔的模態(tài)信息?？涨挥邢拊W(wǎng)格單元的尺寸不能過大,必須滿足在每個(gè)波長(zhǎng)中至少包含6個(gè)以上的單元?；谲嚿砼c空腔的有限元模型與模態(tài)計(jì)算結(jié)果文件,在發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置點(diǎn)加上激勵(lì)力的頻譜作為輸入,定義駕駛員右耳處為輸出場(chǎng)點(diǎn),作有限元聲固耦合響應(yīng)計(jì)算,得到對(duì)車身進(jìn)行阻尼處理前的原始場(chǎng)點(diǎn)聲壓,如圖1所示。3阻尼分析及材料施加在車身的模態(tài)分析中,第i階模態(tài)的第j單元的模態(tài)應(yīng)變能(MSE)定義為:式中,{Φi}為第i階模態(tài)的振型;[Kj]為j單元?jiǎng)偠染仃?。板件上模態(tài)應(yīng)變能高的區(qū)域在受到外界激勵(lì)時(shí)易振動(dòng),因而在其上實(shí)施阻尼處理可有效抑制振動(dòng)并耗散振動(dòng)的能量。首先需要計(jì)算出白車身各階模態(tài)的應(yīng)變能分布,并且在阻尼處理所針對(duì)的頻率范圍(對(duì)250Hz以下的低頻區(qū)域進(jìn)行阻尼處理效果較明顯)內(nèi)對(duì)各階模態(tài)應(yīng)變能進(jìn)行疊加,得到綜合的應(yīng)變能分布。然后對(duì)綜合模態(tài)應(yīng)變能高的區(qū)域作阻尼處理。本試驗(yàn)針對(duì)頻率范圍為20~100Hz的低頻區(qū)域進(jìn)行阻尼處理。對(duì)車身進(jìn)行模態(tài)分析,計(jì)算出這一頻率范圍內(nèi)的模態(tài)應(yīng)變能后,疊加得到綜合模態(tài)應(yīng)變能分布,如圖2所示。采用約束阻尼對(duì)綜合模態(tài)應(yīng)變能分布中能量高的區(qū)域作阻尼處理。在有限元模型中模擬阻尼材料時(shí),根據(jù)汽車工程中常用的一些阻尼材料參數(shù),將阻尼材料的彈性模量取為3.4MPa,泊松比為0.499,密度為1000kg/m3,材料的損耗因子取平均值為1。約束層的彈性模量為75000MPa,泊松比為0.33,密度為2700kg/m3。本次阻尼處理共對(duì)2078738mm2的區(qū)域施加了阻尼材料,如圖3所示,圖中黑色單元表示阻尼材料的位置。利用阻尼處理后的車身模型作聲固耦合響應(yīng)計(jì)算,得到阻尼處理后的汽車車內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)(駕駛員右耳處)的聲壓響應(yīng),如圖4所示。4振動(dòng)速度法向部分的atv在車內(nèi)噪聲的形成過程中,乘坐室壁板的振動(dòng)激勵(lì)起內(nèi)部空氣的振動(dòng),而車內(nèi)空腔的聲壓則是所有板件激起的空氣聲壓的疊加。對(duì)于不同板件及板件上不同的區(qū)域,其振動(dòng)對(duì)于車內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)聲壓的貢獻(xiàn)量是不同的。對(duì)貢獻(xiàn)量大的區(qū)域作阻尼處理,抑制其振動(dòng),則能有效降低車內(nèi)噪聲。在SYSNOISE中,為計(jì)算板件單元貢獻(xiàn),引入了聲學(xué)傳遞向量(ATV,AcousticTransferVector)的概念?？紤]到只有機(jī)械表面振動(dòng)速度的法向部分在產(chǎn)生聲壓中起作用,因而將表面法向振速列向量{vns(ω)}作為系統(tǒng)的輸入,而將聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲壓作為輸出。因?yàn)樗紤]的聲學(xué)系統(tǒng)均可看作為一個(gè)線性系統(tǒng),所以系統(tǒng)可表示為:式(2)中的聲學(xué)傳遞向量ATV即是聯(lián)系著機(jī)械表面法向振速與場(chǎng)點(diǎn)聲壓的聲學(xué)傳遞函數(shù)的全體。首先,以駕駛員右耳處場(chǎng)點(diǎn)聲壓為輸出,以包圍車內(nèi)聲腔的板件的法向振速為輸入,計(jì)算出該系統(tǒng)在場(chǎng)點(diǎn)聲壓響應(yīng)各峰值的ATV。為求解板件單元的貢獻(xiàn)量,還需要知道系統(tǒng)受到激勵(lì)力作用時(shí)板件表面振速的法向部分的值。在發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置點(diǎn)處加上力的頻譜作為激勵(lì),利用前面得到的車身模態(tài)分析結(jié)果,采用模態(tài)疊加法計(jì)算出車身板件表面的振動(dòng)速度。最后,以車身板件表面振動(dòng)速度為載荷輸入,結(jié)合車身振動(dòng)-聲學(xué)系統(tǒng)的ATV計(jì)算結(jié)果,可計(jì)算出對(duì)于車內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)響應(yīng)的峰值的板件單元貢獻(xiàn)量,如圖5所示。對(duì)板件單元貢獻(xiàn)高的區(qū)域作阻尼處理。阻尼材料參數(shù)的選取與前述基于模態(tài)應(yīng)變能的阻尼處理相同,以便于對(duì)2種方法的處理效果作比較。本次阻尼處理共對(duì)1755012mm2的區(qū)域施加了阻尼材料,如圖6所示。與圖3比較可看出,2種方法所選取的處理部位是有區(qū)別的。利用阻尼處理后的車身模型作聲固耦合響應(yīng)計(jì)算,計(jì)算得到阻尼處理后的車內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)的聲壓響應(yīng),如圖7所示。52阻尼分析的應(yīng)用以模態(tài)應(yīng)變能指標(biāo)和板件單元貢獻(xiàn)指標(biāo)作阻尼處理后車內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)響應(yīng),與阻尼處理前的車內(nèi)場(chǎng)點(diǎn)響應(yīng)比較如圖8所示。由圖8可看出,2種方法所達(dá)到的降噪效果比較接近,在場(chǎng)點(diǎn)響應(yīng)的3個(gè)主要峰值(30Hz、37.5Hz和46.5Hz)處,基于模態(tài)應(yīng)變能分析的阻尼處理分別降低了1.1dB、0.1dB和1.1dB,而基于板件單元貢獻(xiàn)分析的阻尼處理分別降低了1.1dB、0.9dB和0.6dB。它們都被證明是有效的阻尼處理分析手段。從圖8還可看出,基于板件單元貢獻(xiàn)指標(biāo)的阻尼處理效果對(duì)其所處理的聲壓峰值(30Hz、37.5Hz和46.5Hz)有明顯的削弱作用,而在其它頻率范圍,尤其是遠(yuǎn)離這些峰值的頻段(85~100Hz)則效果不明顯,由此可知,板件單元貢獻(xiàn)指標(biāo)對(duì)其所處理的問題峰值有強(qiáng)烈的針對(duì)性,而基于模態(tài)應(yīng)變能指標(biāo)的阻尼處理則在很寬的頻率范圍內(nèi)均有良好抑制效果,即模態(tài)應(yīng)變能指標(biāo)對(duì)由板件振動(dòng)引起的車內(nèi)噪聲在較寬的頻率范圍內(nèi)均有普遍適用的效果。從原理上看,由于模態(tài)應(yīng)變能指標(biāo)主要由板件本身的振動(dòng)特性所決定,所以這種方法考慮的是通過抑制板件在各種激勵(lì)下的振動(dòng)水平來降低車內(nèi)聲場(chǎng)的普遍噪聲水平,它能適應(yīng)各種激勵(lì),對(duì)聲場(chǎng)的各位置都有一定效果,能影響到比較寬的頻率范圍。而板件單元貢獻(xiàn)指標(biāo)考慮的是板件在實(shí)際激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng),以及不同板件部位的振動(dòng)對(duì)于車內(nèi)聲場(chǎng)特定場(chǎng)點(diǎn)的影響,這種方法針對(duì)的是特定的頻率,因而它針對(duì)特定工況在特定場(chǎng)點(diǎn)處的噪聲峰值有明顯的效果。在工程應(yīng)用中,考慮車身阻尼處理的總體布置時(shí),適用模態(tài)應(yīng)變能指標(biāo),其可在未知實(shí)際激勵(lì)的情況下抑制板件的整體振動(dòng)水平,對(duì)整個(gè)聲場(chǎng)都能產(chǎn)生效果,是一種普遍適用的方法,工作量相對(duì)較小。如果車輛的噪聲問題暴露于某個(gè)特定工況下,在某個(gè)特定的聲場(chǎng)位置,希望能夠削減某個(gè)工況下的某個(gè)噪聲峰值,板件單元貢獻(xiàn)分析由于能考慮實(shí)際激勵(lì),是一種非常有針對(duì)性的方法,但工作量相對(duì)較大。6板件單元貢獻(xiàn)分析模態(tài)應(yīng)變能作為一個(gè)反映結(jié)構(gòu)特性的物理量,在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別、健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛。由于模態(tài)應(yīng)變能