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        某鋁合金駕駛室結(jié)構模態(tài)和聲腔模態(tài)分析

        2019-03-11 02:16:32張德偉劉瑞萍徐鑫張書豪王東輝孫巍
        汽車零部件 2019年2期
        關鍵詞:聲腔駕駛室振型

        張德偉,劉瑞萍, 徐鑫,張書豪,王東輝,孫巍

        (遼寧忠旺集團有限公司,遼寧遼陽 111003)

        0 引言

        駕駛室是商用車設計的核心之一,它是車輛振動與噪聲的重要傳遞路徑,其結(jié)構設計決定了商用車的NVH性能。NVH性能是車輛的一個性能亮點,駕駛員能夠直接感知。駕駛員長時間感受振動和處在噪聲環(huán)境下,會引起頭暈、耳鳴、煩躁以及注意力下降、疲勞等現(xiàn)象,嚴重的還會直接造成身體損傷。

        目前使用鋁合金是實現(xiàn)輕量化的重要途徑,可以有效地降低車輛的整備質(zhì)量,實現(xiàn)輕量化目標,同時提高汽車續(xù)航里程,降低單位質(zhì)量的能耗。還可提升新能源車型的市場競爭力。

        在駕駛室設計階段,通過分析駕駛室結(jié)構和聲腔模態(tài)頻率和振型,在設計過程中對各個激勵源的頻率、各總成頻率、聲腔模態(tài)頻率進行解耦,避免駕駛室結(jié)構振動導致共振,同時防止板結(jié)構的局部振動引發(fā)駕駛室內(nèi)的噪聲。

        框架結(jié)構決定駕駛室的整體結(jié)構模態(tài),板的局部結(jié)構容易與駕駛室聲腔共振而產(chǎn)生轟鳴聲。本文作者以某鋁合金駕駛室為研究對象,通過仿真手段分析結(jié)構模態(tài)和聲腔模態(tài),對鋁合金駕駛室的結(jié)構特性進行評價。

        1 模型建立

        駕駛室結(jié)構都是鋁合金擠壓型材焊接而成,對駕駛室各個部件抽取中面建立網(wǎng)格,通過網(wǎng)格標準檢查網(wǎng)格單元質(zhì)量,焊接位置通過共節(jié)點的方式連接在一起。這種方法保證結(jié)構有限元模型的完整性和準確性,提高仿真分析的精度。其結(jié)構有限元模型如圖1(a)所示。

        聲腔模態(tài)模型主要依據(jù)聲學單元的理想尺寸,即大約是每個波長6個單元(單元尺寸為聲波波長的1/6),整體上網(wǎng)格大小采用30 mm×30 mm,網(wǎng)格類型以六面體為主,四面體為輔,有利于提高計算速度和精度。其聲腔有限元模型如圖1(b)所示。

        圖1 駕駛室結(jié)構和聲腔有限元模型

        2 模態(tài)分析理論

        2.1 結(jié)構模態(tài)分析理論

        動力系統(tǒng)主要由質(zhì)量、阻尼、彈簧阻力及外載荷四部分組成,單自由度系統(tǒng)的動力方程為

        (1)

        結(jié)構模態(tài)主要是求解固有頻率和振型,而固有頻率和振型計算的實質(zhì)是求解特征值和特征向量的問題,在結(jié)構模態(tài)有限元計算中忽略阻尼的影響,在無阻尼、無外在載荷情況下單自由度系統(tǒng)的振動方程矩陣形式為

        (2)

        式中:M為質(zhì)量矩陣;K為剛度矩陣。

        對于線性結(jié)構系統(tǒng),式(2)的簡諧函數(shù)形式解為

        x(t)=φsin(ωt)

        (3)

        式中:φ為特征向量;ω為圓頻率。

        將式(3)代入式(2)可得方程:

        (K-λiM)φi=0

        (4)

        式(4)的特征方程為

        K-λiM=0

        (5)

        通過方程(5)即可求得特征值λi,即為固有頻率,再通過方程(4)計算得到特征向量φi,即為振型。

        2.2 聲腔模態(tài)分析理論

        聲腔模態(tài)和結(jié)構模態(tài)的求解類似,同樣也是求解聲腔固有頻率和振型。聲腔模態(tài)的計算基于經(jīng)典聲學理論。在無阻尼、無外在載荷情況下流場內(nèi)波動方程的有限元矩陣形式為

        (6)

        式中:Mf為流體等效質(zhì)量矩陣;Kf為流體等效剛度矩陣;p為單元節(jié)點壓力。

        方程(6)求解過程與結(jié)構模態(tài)的振動方程一致,所以通過方程(6)可得聲腔波動的特征方程為

        Kf-λiMfpi=0

        (7)

        通過方程(7)即可計算得到聲腔模態(tài)的頻率和振型。

        3 結(jié)構模態(tài)分析

        結(jié)構模態(tài)是影響NVH性能的基礎,是駕駛室最本質(zhì)的特征。它主要通過模態(tài)分析識別出主要模態(tài)的頻率、模態(tài)的振型等,可以預測外界激勵下產(chǎn)生的響應,為解決駕駛室的振動和噪聲提供依據(jù)。某鋁合金駕駛室前6階的振型圖如圖2所示。結(jié)構模態(tài)頻率及振型描述如表1所示。

        圖2 結(jié)構模態(tài)振型圖

        表1 結(jié)構模態(tài)頻率和振型描述

        在模態(tài)振型中,模態(tài)位移為零的點稱為節(jié)點(圖中黑色);幅值最大點稱為反節(jié)點(圖中深灰色)。節(jié)點位置的振動對整體響應沒有貢獻,反節(jié)點位置的振動對整體響應貢獻最大。在設計過程中盡量將外在激勵和質(zhì)量集中的部件布置在節(jié)點上或接近節(jié)點附近。

        駕駛室的1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)是最重要的模態(tài),該駕駛室的第1階和第2階模態(tài)都呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)形式,但頻率相差13 Hz,振型主要區(qū)別是節(jié)點和反節(jié)點的位置不同,呈現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)對稱。第3階模態(tài)出現(xiàn)地板向下而頂蓋向上運動的方向相反的運動形式的“呼吸”模態(tài),容易激起聲腔模態(tài)而產(chǎn)生轟鳴聲。第5階和第6階出現(xiàn)局部模態(tài),主要是頂蓋和前橫梁的局部振動,這些位置剛度不足容易產(chǎn)生振動。

        4 聲腔模態(tài)分析

        聲腔模態(tài)是指封閉空氣而形成的模態(tài),同樣也存在模態(tài)頻率和模態(tài)振型。聲腔模態(tài)主要體現(xiàn)在壓力的變化。圖中顏色對應壓力的大小,如圖3所示,不同位置的壓力是不同的。壓力為零的位置(圖中黑色)稱為節(jié)點。駕駛室的每階聲腔模態(tài)都有不同的振型。某鋁合金駕駛室前6階的振型圖如圖3所示。聲腔模態(tài)頻率及振型描述如表2所示。

        圖3 聲腔模態(tài)振型圖

        該駕駛室在頻率91.6 Hz出現(xiàn)第1階橫向模態(tài),此振型的壓力分布以車輛中心線為對稱軸左右對稱,壓力從中心向兩側(cè)逐漸增大。第2階聲腔模態(tài)的壓力以節(jié)點組成的區(qū)域(黑色)為對稱面向兩側(cè)逐漸增大。第3階聲腔模態(tài)的振型相當于第2階振型旋轉(zhuǎn)90°而得到,但頻率高出35 Hz。聲腔模態(tài)的振型隨著頻率的增加越來越復雜,呈現(xiàn)縱向和橫向交織的形式。

        表2 聲腔模態(tài)頻率和振型描述

        5 結(jié)論

        通過有限元方法計算得到某鋁合金駕駛室的結(jié)構模態(tài)和聲腔模態(tài),結(jié)論如下:

        (1)通過分析該駕駛室的結(jié)構模態(tài),鋁合金駕駛室既能實現(xiàn)輕量化目標,也能實現(xiàn)結(jié)構模態(tài)的目標值,也為框架結(jié)構設計提供依據(jù)。

        (2)通過分析該駕駛室的聲腔模態(tài),得到了在中低頻率階段的聲腔模態(tài),為板結(jié)構的設計提供設計參考。

        (3)駕駛室結(jié)構模態(tài)和聲腔模態(tài)都是NVH的重要基礎,為實現(xiàn)駕駛室的舒適性和駕駛室的結(jié)構設計改進提供技術支持。

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