張 宇，楊家友，韋 正

（1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，重慶 401331；2.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

汽車NVH性能是駕乘人員能直觀感受到的，往往直接影響消費(fèi)者的購(gòu)買意愿和使用滿意度。如果車輛在怠速或加速工況的某個(gè)轉(zhuǎn)速下驟然有明顯壓迫耳膜感的噪聲，即轟鳴（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]，但是車身阻尼材料能提高車身壁板的吸隔聲性能[4]，降低車內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)噪聲[5]，從而為低頻轟鳴噪聲問(wèn)題提供了一種解決途徑。

傳統(tǒng)的阻尼材料設(shè)計(jì)是在基于車身結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)變能和板件貢獻(xiàn)量來(lái)確定阻尼敷設(shè)位置[6-8]。但是該方法難以精確定位阻尼層布局。于是隨著動(dòng)力學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用該技術(shù)來(lái)優(yōu)化車身阻尼材料的布局引起不少學(xué)者的關(guān)注[9-11]。

本文針對(duì)某車型加速工況下車內(nèi)出現(xiàn)明顯轟鳴噪聲問(wèn)題，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，提出以車內(nèi)噪聲異常峰值頻率的最大模態(tài)貢獻(xiàn)量所在階次的振幅最大節(jié)點(diǎn)處頻率響應(yīng)最小化為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)車身壁板阻尼材料布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期為運(yùn)用阻尼材料控制轟鳴噪聲提供參考思路和方案借鑒。

1 復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)基本理論

對(duì)于復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)，通常采用復(fù)常數(shù)模量描述其黏彈性材料的本構(gòu)關(guān)系，則復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自由振動(dòng)方程為

其中：[M]為質(zhì)量矩陣；

[k'+ik″]為復(fù)剛度矩陣。

設(shè)式（1）的特解為

則將式（2）代入式（1）得

求特征值方程

可得復(fù)特征值

其中：α為解的實(shí)部，β為解的虛部。

進(jìn)而可以得到復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)第i階模態(tài)的固有頻率fi和模態(tài)阻尼損耗因子ηi

模態(tài)阻尼損耗因子ηi一般為阻尼比的2倍。但是卻有不一樣的物理意義。阻尼比描述的是振動(dòng)幅值的衰減，而模態(tài)損耗因子描述的是系統(tǒng)能量的衰減。因此，欲使復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)具有最佳的阻尼比和模態(tài)損失因子，可以合理設(shè)計(jì)阻尼結(jié)構(gòu)布局，減小復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值。

2 車內(nèi)噪聲性能分析

2.1 車身聲振耦合分析

車輛加速過(guò)程中，動(dòng)力總成是車內(nèi)加速噪聲最主要激勵(lì)源，而如果車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，則動(dòng)力總成的振動(dòng)激勵(lì)傳遞至車身，易引起車內(nèi)加速噪聲過(guò)大或者出現(xiàn)轟鳴等問(wèn)題。因此，在車型研發(fā)過(guò)程中采用仿真手段預(yù)測(cè)分析車身聲振耦合性能有利于盡早地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，從而提高車型開發(fā)效率。

為研究某車型加速轟鳴噪聲問(wèn)題，建立車身聲振耦合仿真計(jì)算模型，并選取駕駛員右耳附近單元節(jié)點(diǎn)作為噪聲測(cè)點(diǎn)。在動(dòng)力總成左、右懸置被動(dòng)端和副車架與車身安裝點(diǎn)施加20 Hz至200 Hz的白噪聲單位激振力以模擬車輛加速過(guò)程中的激振力（見圖1），計(jì)算得到車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)見圖2。可見，車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)在53.5 Hz出現(xiàn)明顯異常噪聲峰值。這類低頻噪聲峰值極易引起加速轟鳴噪聲，降低駕乘人員乘坐舒適性，因此需要采取措施加以控制。

圖1 車內(nèi)噪聲激振點(diǎn)示意

圖2 車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)

2.2 模態(tài)貢獻(xiàn)量分析

模態(tài)貢獻(xiàn)量能反映系統(tǒng)每階結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)車內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)的參與量。尋找到車內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)參與量最大的結(jié)構(gòu)模態(tài)階次，并對(duì)該階模態(tài)振型幅值進(jìn)行控制，便可使車內(nèi)噪聲得到針對(duì)性的改善，達(dá)到事半功倍的效果。

針對(duì)本車型車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的53.5 Hz噪聲異常峰值，計(jì)算得到車身結(jié)構(gòu)模態(tài)貢獻(xiàn)量見圖3。從而可知第13階結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)的噪聲異常峰值貢獻(xiàn)最大，并計(jì)算得到該階結(jié)構(gòu)模態(tài)振型見圖4。

第13階結(jié)構(gòu)模態(tài)最大振幅出現(xiàn)在頂蓋局部區(qū)域，因此，在頂蓋合理地敷設(shè)阻尼材料，抑制振幅，從而提高該階車身結(jié)構(gòu)的阻尼比和模態(tài)損失因子以達(dá)到衰減關(guān)注頻率下車內(nèi)噪聲的目的。

3 車內(nèi)阻尼材料設(shè)計(jì)

3.1 阻尼材料拓?fù)鋬?yōu)化模型

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)通過(guò)在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋求最佳的結(jié)構(gòu)分布形式來(lái)達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能或減輕重量的目的。正是借助該優(yōu)化方法的這一特點(diǎn)，為尋求車身阻尼材料的最佳布局提供了一種便捷的手段。

圖3 車內(nèi)前排噪聲模態(tài)貢獻(xiàn)量

圖4 第13階車身結(jié)構(gòu)模態(tài)振型

本文利用連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對(duì)頂蓋阻尼材料的布局進(jìn)行優(yōu)化，在盡量少地使用阻尼材料的前提下，改善車內(nèi)噪聲性能。于是建立如下拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型

式中：設(shè)計(jì)變量xj為阻尼材料結(jié)構(gòu)單元j的密度，下限為xmin，上限為1；

約束條件為優(yōu)化后的阻尼材料體積為優(yōu)化前的30%；

目標(biāo)函數(shù)f(x)為車身頂蓋在第13階模態(tài)振幅最大點(diǎn)的頻率響應(yīng)位移幅值最小化。

3.2 阻尼材料設(shè)計(jì)

采用上述拓?fù)鋬?yōu)化模型對(duì)頂蓋阻尼材料布局進(jìn)行優(yōu)化，獲得頂蓋阻尼層應(yīng)變能分布見圖5。圖中亮色區(qū)域表明該區(qū)域應(yīng)變能較大，需要提高阻尼層單元密度，由此為阻尼層布局提供參考。

據(jù)此，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果和頂蓋幾何結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)頂蓋阻尼層布局見圖6。阻尼材料與頂蓋的面積比僅為4.35%，滿足優(yōu)化約束條件要求。對(duì)頂蓋敷設(shè)阻尼材料前、后的車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果對(duì)比見圖7。

圖5 頂蓋阻尼層應(yīng)變能云圖

圖6 頂蓋阻尼材料布局

圖7 阻尼材料設(shè)計(jì)對(duì)車內(nèi)前排噪聲影響

由圖7可見，當(dāng)頂蓋敷設(shè)阻尼層后，車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)在53.5 Hz處噪聲異常峰值由89.86 dB(A)降到77.27 dB(A)，降幅達(dá)12.59 dB(A)，有助于改善車內(nèi)加速轟鳴噪聲問(wèn)題。

4 阻尼材料設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證上文提出的頂蓋阻尼材料布局方案對(duì)實(shí)車加速轟鳴噪聲改善效果，在車內(nèi)駕駛員右耳附近布置麥克風(fēng)（見圖8），通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得3 WOT工況下該噪聲測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)見圖9。

由DR噪聲測(cè)點(diǎn)加速工況聲壓級(jí)數(shù)據(jù)分析可知，該車型DR噪聲測(cè)點(diǎn)在轉(zhuǎn)速為1 521 r/min時(shí)存在明顯轟鳴噪聲。通常情況下，低轉(zhuǎn)速轟鳴噪聲問(wèn)題主要由發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)引起，因此該轉(zhuǎn)速轟鳴噪聲對(duì)應(yīng)頻率為1 521÷30=50.7 Hz。這與圖2通過(guò)仿真分析手段獲取的車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)異常噪聲峰值頻率吻合，反映了前文建立的車內(nèi)噪聲仿真模型具有良好的可信度。

在頂蓋實(shí)施阻尼層優(yōu)化方案后，DR噪聲測(cè)點(diǎn)在轉(zhuǎn)速為1 521 r/min時(shí)聲壓級(jí)由74.56 dB(A)降到65.54 dB(A)，降低約9.02 dB(A)，而且整個(gè)加速過(guò)程的線性度得到顯著改善，由此驗(yàn)證了本文提出的車身板件阻尼層優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在滿足車身輕量化設(shè)計(jì)要求前提下，顯著改善了車內(nèi)轟鳴噪聲水平，達(dá)到了預(yù)期優(yōu)化目標(biāo)。

圖8 車內(nèi)加速噪聲DR測(cè)點(diǎn)示意

圖9 DR噪聲測(cè)點(diǎn)3WOT工況聲壓級(jí)

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在頂蓋敷設(shè)阻尼層優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，在3WOT工況下實(shí)車車內(nèi)前排轟鳴噪聲峰值下降9.02 dB(A)，同時(shí)前排聲壓級(jí)線性度得到提高，車內(nèi)噪聲性能得到明顯改善。

（2）以車身結(jié)構(gòu)主要貢獻(xiàn)量模態(tài)階次的振幅最大節(jié)點(diǎn)處的頻率響應(yīng)最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)車身壁板阻尼材料布局進(jìn)行優(yōu)化，可為車內(nèi)噪聲控制提供合理的阻尼層布局方案。

（3）本文的研究?jī)?nèi)容可為同類車型阻尼材料布局優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路借鑒和方案參考。