官明超，周以齊，燕同同

（山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061）

拖拉機(jī)作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的駕駛室司機(jī)耳旁噪聲會(huì)對(duì)駕駛員的身心健康、工作效率產(chǎn)生不利影響，應(yīng)該限制到一定聲壓級(jí)之下。其中，駕駛室主要由面板以及框架結(jié)構(gòu)圍成。通常情況下，框架結(jié)構(gòu)剛度大而面板剛度小，比較容易在發(fā)動(dòng)機(jī)等外界激勵(lì)下產(chǎn)生受迫振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致輻射聲產(chǎn)生，這部分結(jié)構(gòu)聲往往成為駕駛室內(nèi)耳旁噪聲的主要成因，因此研究駕駛室板件振動(dòng)，對(duì)抑制駕駛室耳旁噪聲具有顯著意義。

在板件振動(dòng)研究方面，大量的相關(guān)研究為本文工作提供了重要基礎(chǔ)。劉文光利用薄板結(jié)構(gòu)件損傷前后的模態(tài)應(yīng)變能變化率來(lái)解決其損傷識(shí)別問(wèn)題[1]，胡小舟利用模態(tài)應(yīng)變能識(shí)別白車(chē)身1階陣型下的薄弱位置，借以結(jié)合靈敏度優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行模態(tài)優(yōu)化[2]；張敬濤等人利用壁板貢獻(xiàn)度的方法計(jì)算拖拉機(jī)駕駛室板件對(duì)于耳旁噪聲的聲音貢獻(xiàn)度，來(lái)解決異常噪聲問(wèn)題[3]。拖拉機(jī)駕駛室多為面板結(jié)構(gòu)，在模態(tài)振動(dòng)分析上，借助模態(tài)應(yīng)變能可在無(wú)損環(huán)境下來(lái)識(shí)別板件薄弱點(diǎn)，借助聲學(xué)貢獻(xiàn)度來(lái)解決振動(dòng)和聲音的耦合問(wèn)題。

本文引入模態(tài)應(yīng)變能方法對(duì)拖拉機(jī)駕駛室結(jié)構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，應(yīng)變能作為固有振動(dòng)特性，能有效識(shí)別駕駛室結(jié)構(gòu)中模態(tài)薄弱環(huán)節(jié)，篩選出振動(dòng)大的結(jié)構(gòu)件；再利用壁板聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析方法，確定振動(dòng)板件對(duì)耳旁噪聲的貢獻(xiàn)度，確定整改方案，達(dá)到抑制駕駛室振動(dòng)噪聲的目的。

1 模態(tài)應(yīng)變能分析基礎(chǔ)

模態(tài)應(yīng)變能（MSE）是指利用剛度和陣型計(jì)算出的反應(yīng)模態(tài)情況的一種物理量。能量作為物體固有屬性，能精確映射出物體局部實(shí)際受力后的變化情況，有效分析它的剛度情況[4]。

基于Hyperworks-optistruct軟件進(jìn)行有限元分析，在駕駛室的有限元模型中，第i階模態(tài)第e單元的模態(tài)應(yīng)變能定義為

式中μi為駕駛室第i階模態(tài)振型，Ke為e單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

在有限元模型中，通過(guò)對(duì)所有結(jié)構(gòu)單元計(jì)算得到的模態(tài)應(yīng)變能進(jìn)行疊加就可以得到某個(gè)部件乃至整個(gè)駕駛室的模態(tài)應(yīng)變能分布。

由式（1）可以看出，單元結(jié)構(gòu)應(yīng)變能越大，結(jié)構(gòu)剛度越低，疊加的局部結(jié)構(gòu)能量越集中，在相同條件下越容易產(chǎn)生位移。反映在整個(gè)駕駛室中，可以從整個(gè)駕駛室在某階模態(tài)頻率下的模態(tài)應(yīng)變能分布圖中找到該陣型局部剛度不足的部位。模態(tài)應(yīng)變能以單元能量作為計(jì)算準(zhǔn)則，能更有效識(shí)別駕駛室變形薄弱處，并且在后期聲學(xué)以及振動(dòng)分析時(shí)針對(duì)板件數(shù)量過(guò)多、計(jì)算量大的缺點(diǎn)，能夠有針對(duì)性地進(jìn)行篩選分析，提高計(jì)算效率。

2 面板聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析基礎(chǔ)

單個(gè)板件的不同單元點(diǎn)對(duì)聲場(chǎng)內(nèi)部某點(diǎn)輻射的聲波幅值和相位不同，不同板件的不同單元點(diǎn)也是不同的，求得駕駛室內(nèi)部不同板件所包含的所有單元輻射的聲壓矢量和對(duì)聲場(chǎng)某點(diǎn)總聲壓的貢獻(xiàn)，即為駕駛室內(nèi)部板件聲學(xué)貢獻(xiàn)分析[5]。

首先要計(jì)算各板件在聲場(chǎng)某點(diǎn)的聲壓，聲學(xué)傳遞向量(ATV)作為系統(tǒng)的固有屬性，是結(jié)構(gòu)法線振動(dòng)加速度與場(chǎng)點(diǎn)聲壓的一種線性關(guān)系，能夠有效計(jì)算板件的場(chǎng)點(diǎn)聲壓[6]。在有限元模型中，結(jié)構(gòu)被分成若干單元，在聲場(chǎng)中某點(diǎn)的輻射聲為

式中ATV為聲傳遞向量，Vn為結(jié)構(gòu)表面法線向上的振動(dòng)速度，ω為角頻率。

在駕駛室模型中，第i個(gè)板件所有n個(gè)單元對(duì)聲場(chǎng)某點(diǎn)的聲壓矢量和為

將所有m個(gè)板件的場(chǎng)點(diǎn)的聲壓矢量疊加即為整個(gè)聲場(chǎng)某點(diǎn)的總聲壓為

則第i個(gè)板件對(duì)場(chǎng)點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)系數(shù)為

整個(gè)求解過(guò)程為矢量求解，考慮到相位和幅值，因此最后的貢獻(xiàn)系數(shù)有正負(fù)之分，正貢獻(xiàn)為板件的貢獻(xiàn)聲壓與總的場(chǎng)點(diǎn)聲壓相位相同，貢獻(xiàn)聲壓隨板件振動(dòng)增強(qiáng)而增強(qiáng)；反之減弱。

3 仿真分析與試驗(yàn)

3.1 拖拉機(jī)駕駛室有限元模型

利用Hypermesh建立拖拉機(jī)駕駛室的有限元模型。模型殼單元基本尺寸為5 mm×5 mm，其中四邊形單元數(shù)為248 090，三角形單元數(shù)為7 443（占總數(shù)3%）。駕駛室主體材料采用Q235連接方式，點(diǎn)焊和縫焊分別采用ACM焊接單元以及RBE3單元進(jìn)行模擬。材料屬性見(jiàn)表1，建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 駕駛室有限元模型

在進(jìn)行聲學(xué)貢獻(xiàn)量分析時(shí)，建立模型的聲腔網(wǎng)格時(shí)，需為駕駛室封上玻璃、裝配內(nèi)飾頂以滿足密閉空間的要求，玻璃與板件采用環(huán)氧樹(shù)脂膠膠粘連接，內(nèi)飾頂點(diǎn)焊在駕駛室上，材料屬性見(jiàn)表1。

表1 模型材料參數(shù)

為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，聲腔網(wǎng)格單元尺寸長(zhǎng)度需要滿足以下要求：L≤c/(6fmax)，其中L為單元長(zhǎng)度，c為聲速，fmax為最高計(jì)算頻率[7]。取聲腔網(wǎng)格的單元尺寸為50 mm，聲速取c=340 m/s，設(shè)置一個(gè)波長(zhǎng)有6個(gè)網(wǎng)格單元，則fmax=1 133 Hz，滿足要求。見(jiàn)圖2。

圖2 聲腔網(wǎng)格

3.2 分析結(jié)果

圖3為駕駛室模態(tài)應(yīng)變能計(jì)算結(jié)果，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，高頻振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)聲很容易通過(guò)減振結(jié)構(gòu)消除，所以只討論低頻振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)聲。

把云圖中應(yīng)變能反映出的模態(tài)薄弱板件作為后續(xù)研究聲學(xué)貢獻(xiàn)度計(jì)算的板件，主要有：前圍板（見(jiàn)圖3(a))、地板（見(jiàn)圖3(b))、右圍板（見(jiàn)圖3(c))、左圍板（見(jiàn)圖3(d))、右上橫梁（見(jiàn)圖3(e))、后圍板（見(jiàn)圖3(f))。

由圖3可知：在計(jì)算的面板當(dāng)中，后圍板在頻率為349 Hz時(shí)應(yīng)變能分布集中且幅值相對(duì)較大，在相同條件下，產(chǎn)生的輻射噪聲應(yīng)該更大，下面進(jìn)行面板聲學(xué)貢獻(xiàn)分析來(lái)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

確定貢獻(xiàn)分析的板件之后，按照實(shí)際位置確定左耳耳旁接收位進(jìn)行面板聲學(xué)貢獻(xiàn)計(jì)算，求得在頻率為349 Hz時(shí)的面板貢獻(xiàn)占比，見(jiàn)圖4。

圖3 模態(tài)應(yīng)變能分析結(jié)果

圖4 面板貢獻(xiàn)占比

由圖4可以看出，在場(chǎng)點(diǎn)總聲壓為100%的情況下，后圍板對(duì)場(chǎng)點(diǎn)聲壓貢獻(xiàn)為43%，為最大，通過(guò)面板聲學(xué)貢獻(xiàn)分析也驗(yàn)證了模態(tài)應(yīng)變能中篩選出的板件分析結(jié)果的可參考性。下面通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)測(cè)試及分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為該型號(hào)拖拉機(jī)的樣車(chē)，測(cè)試設(shè)備包括1個(gè)武漢英泰斯特電子技術(shù)有限公司INJ9008U-1型號(hào)的信號(hào)采集儀，8個(gè)江蘇連能電子技術(shù)有限公司CA-YD-186的振動(dòng)加速度傳感器以及2個(gè)北京聲望聲電技術(shù)有限公司MPA201型號(hào)的傳聲器，測(cè)試分析軟件為美國(guó)的NI Sound and Vibration Assistant。圖5、圖6所示為測(cè)試的幾個(gè)主要面板。

圖5 實(shí)測(cè)面板位置示意圖

圖6 實(shí)測(cè)面板位置示意圖

將測(cè)得的振動(dòng)和聲音信號(hào)利用MATLAB做時(shí)頻處理[8]，得到時(shí)頻圖見(jiàn)圖7、圖8。

通過(guò)左耳耳旁噪聲的時(shí)頻圖可以看出，在315 Hz～350 Hz，能量非常集中，與后圍板振動(dòng)能量集中的范圍基本一致，這也驗(yàn)證了應(yīng)用模態(tài)應(yīng)變能以及面板聲學(xué)貢獻(xiàn)度方法得出的對(duì)于拖拉機(jī)駕駛室聲場(chǎng)左耳耳旁貢獻(xiàn)大的板件是后圍板的分析結(jié)果的有效性。下面針對(duì)問(wèn)題對(duì)后圍板進(jìn)行形貌優(yōu)化并做出結(jié)構(gòu)整改。

圖7 后圍板振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻圖

圖8 左耳耳旁聲音信號(hào)時(shí)頻圖

4 優(yōu)化方案

4.1 形貌優(yōu)化流程

本文采用的形貌優(yōu)化主要目的是在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最佳的加強(qiáng)筋位置以及形狀，借以結(jié)合模態(tài)應(yīng)變能結(jié)果，提升結(jié)構(gòu)剛度，改善結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能。

由3.3小節(jié)的分析得出，拖拉機(jī)駕駛室司機(jī)耳旁噪聲主要是由后圍板在350 Hz頻率段的異常振動(dòng)引起的。將其在Optistuct中單獨(dú)分離進(jìn)行分析并按照實(shí)際的限制施加約束條件，為了提升結(jié)構(gòu)件剛度，在進(jìn)行形貌優(yōu)化時(shí)，以其應(yīng)變能最低作為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)后圍板結(jié)構(gòu)材料屬性以及加工工藝，在調(diào)整加強(qiáng)筋參數(shù)時(shí)，設(shè)置最小筋條寬度為10 mm，起筋角為60.0度，最大起筋高度為5 mm。然后，在軟件中進(jìn)行優(yōu)化得到結(jié)果，見(jiàn)圖9。

圖9 形貌優(yōu)化結(jié)果

圖中深顏色區(qū)域范圍為應(yīng)變能最小情況下，加強(qiáng)筋樣式以及起筋高度，參照此優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行后圍板結(jié)構(gòu)改進(jìn)，具體的加強(qiáng)筋布置，見(jiàn)圖10。

圖10 后圍板加強(qiáng)筋布置示意圖

用做過(guò)加強(qiáng)筋處理的后圍板結(jié)構(gòu)替代原來(lái)的駕駛室樣車(chē)的后圍板，然后重新進(jìn)行測(cè)試，得到后圍板改進(jìn)前后振動(dòng)對(duì)比（見(jiàn)圖11）以及左耳耳旁聲音的聲壓級(jí)前后對(duì)比（見(jiàn)圖12）。

圖11 后圍板改進(jìn)前后振動(dòng)對(duì)比

圖12 左耳耳旁改進(jìn)前后聲壓級(jí)對(duì)比

由圖11、圖12的改進(jìn)前后對(duì)比可知：后圍板在350 Hz頻率段的異常振動(dòng)已經(jīng)消除，左耳耳旁噪聲的350 Hz聲壓級(jí)出現(xiàn)明顯降低，試驗(yàn)證明，對(duì)后圍板采取的加筋措施有效。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在控制拖拉機(jī)駕駛室面板振動(dòng)與耳旁噪聲時(shí)，通過(guò)模態(tài)應(yīng)變能與面板貢獻(xiàn)度相結(jié)合的方法，有效識(shí)別了引起耳旁噪聲輻射聲的主要板件—后圍板，通過(guò)形貌優(yōu)化的方法為后圍板在350 Hz頻率帶的異常振動(dòng)問(wèn)題提供了整改方案，并成功降低了該頻段的耳旁聲壓級(jí)，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了具有一定價(jià)值的理論指導(dǎo)與實(shí)踐方案。

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