黃豐云，張 琳

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

汽車關(guān)門過(guò)程產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響乘客對(duì)汽車乘用舒適性的評(píng)判，間接影響到消費(fèi)者的購(gòu)買欲望，影響汽車的銷售量，因此降低開關(guān)門聲是目前企業(yè)的一個(gè)研究方向[1]。

汽車關(guān)門噪聲源于汽車車身結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，在車門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)期間，采用優(yōu)化算法對(duì)車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震降噪設(shè)計(jì)，降低車門關(guān)閉過(guò)程中噪聲的聲壓值，提升消費(fèi)者的使用舒適性，加強(qiáng)購(gòu)買欲望。研究汽車關(guān)門聲的聲品質(zhì)主要在于控制車門在關(guān)閉過(guò)程中所產(chǎn)生的噪聲聲壓大小，Sung及Zhang等學(xué)者研究的主要內(nèi)容是探究汽車車門關(guān)閉過(guò)程產(chǎn)生的振動(dòng)與車內(nèi)聲壓之間的關(guān)系[2-4]，大多是在汽車生產(chǎn)完成后，以實(shí)車為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)中的車門結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度來(lái)計(jì)算車內(nèi)的聲壓值，這種方法是在汽車樣品生產(chǎn)完成后進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)疑會(huì)加大汽車產(chǎn)品的制造成本，并拉長(zhǎng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，有限元、邊界元的應(yīng)用逐漸成熟，研究者開始利用軟件仿真來(lái)預(yù)測(cè)汽車關(guān)門過(guò)程的噪音值[5-6]，試圖在汽車未生產(chǎn)之前對(duì)汽車車門進(jìn)行優(yōu)化，降低生產(chǎn)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

1 車門剛度及模態(tài)分析

1.1 車門系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程

NVH表示的是噪聲(noise)、振動(dòng)(viberation)以及聲振粗糙度(harshness)的英文縮寫，汽車NVH性能描述的是汽車在振動(dòng)及噪聲的作用下，乘員的主觀舒適性感受特性，可以用振動(dòng)、噪聲等性能的客觀物理量加以衡量。車門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性對(duì)關(guān)門聲的噪聲聲壓有一定的影響，分析車門結(jié)構(gòu)的模態(tài)性能和剛度性能可以準(zhǔn)確地識(shí)別出引起車門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生噪聲的來(lái)源，更好地控制車門關(guān)閉過(guò)程產(chǎn)生的噪聲[7]。

車門系統(tǒng)包括車門板件、鉸鏈、鎖扣以及密封膠條等結(jié)構(gòu)。車門板件主要是由車門外板、車門內(nèi)板、加強(qiáng)板及防撞梁等構(gòu)成，通過(guò)鉸鏈及鎖扣與汽車車身相連接，車門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車門系統(tǒng)

車門系統(tǒng)的振動(dòng)方程可表示為：

Mx··+Cx·+Kx=F0eiωt

(1)

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；x為坐標(biāo)列陣；F0為激勵(lì)力列陣。

將廣義坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成主坐標(biāo)xp，對(duì)式(1)兩側(cè)同時(shí)左乘模態(tài)矩陣Φ的轉(zhuǎn)置矩陣φT，得到以主坐標(biāo)為變量表示的動(dòng)力學(xué)方程：

Mpx··+Cpx·p+Kpxp=Fpeiωt

(2)

式中：Mp為主質(zhì)量矩陣；Cp為模態(tài)阻尼矩陣；Kp為主剛度矩陣。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將多自由度車門系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程解耦為n個(gè)主坐標(biāo)的微分方程[8]，可表示為：

Mpjx··pj+Cpjx·pj+Kpjxpj=Fpjeiωt(j=1,2,…,n)

(3)

將式(3)化為標(biāo)準(zhǔn)形式，即：

x··pj+2ζjωjx·pj+ω2jxpj=Bjω2jeiωt(j=1,2,…,n)

(4)

式中：Bj=FpjKpj；ζj=cpj2ωjMpj，ζj為第j階模態(tài)的阻尼比。

由上述分析可知，對(duì)于多自由度有阻尼系統(tǒng)的振動(dòng)分析，可先將該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程解耦為以n個(gè)主坐標(biāo)表示的單自由度系統(tǒng)的微分方程，分析方法與單自由度有阻尼系統(tǒng)一樣?？紤]到不同阻尼的性質(zhì)及數(shù)學(xué)描述是不同的，為簡(jiǎn)化計(jì)算，筆者采用無(wú)阻尼的多自由度系統(tǒng)進(jìn)行分析。

將多自由度無(wú)阻尼的車門系統(tǒng)解耦成n個(gè)單自由度系統(tǒng)，其單個(gè)主坐標(biāo)微分方程表示為：

Mpx··p+Cpx·p+Kpxp=f1ejωt+f2ej2ωt

(5)

式中：f1ejωt和f2ej2ωt為考慮車門的前兩階激勵(lì);ω為激勵(lì)頻率。

現(xiàn)假設(shè)xp=aejωt+bej2ωt，λ=ωω0，式中a、b為系數(shù)，ω為車門結(jié)構(gòu)的固有頻率。

車門系統(tǒng)解耦為單自由度無(wú)阻尼振動(dòng)系統(tǒng)時(shí)的載荷可表示為：

Fp=Kp·xp=f11-λ2ejωt+f21-4λ2ej2ωt

(6)

從式(6)可看出車門系統(tǒng)的受力振動(dòng)主要受外部激勵(lì)的頻率值及λ比值影響。外部激勵(lì)成分較為復(fù)雜，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；比值則主要受固有頻率ω0的影響，由固有頻率計(jì)算公式ω0=12πKpMp可知，在保證車門系統(tǒng)質(zhì)量一定時(shí)，提高車門的剛度可以增大車門的固有頻率，從而降低車門在受到載荷作用時(shí)的振動(dòng)影響。

1.2 車門垂直剛度分析

車門垂直剛度是評(píng)價(jià)汽車性能的指標(biāo)之一。當(dāng)車門承受自身重量以及乘客施加的垂直向下的載荷時(shí)，車門仍然能保持原結(jié)構(gòu)不變形的抗變形能力，車門剛度較好，即使車門承受較大的載荷，車門也不會(huì)發(fā)生大的變形而造成車門系統(tǒng)損壞；車門剛度差，會(huì)影響車門鎖扣，造成較大的關(guān)門力和關(guān)門噪聲，甚至導(dǎo)致車門卡死，影響消費(fèi)者的使用。

參照國(guó)內(nèi)大部分汽車公司的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車門的垂直剛度進(jìn)行分析，利用HyperMesh軟件對(duì)車門施加載荷及約束，得到該工況下車門垂直剛度的位移云圖。

筆者根據(jù)某試驗(yàn)車的原始車門模型，利用三維建模軟件進(jìn)行副駕駛側(cè)車門板件的幾何模型建立，右側(cè)車門模型如圖2所示。

圖2 右側(cè)車門模型

考慮到汽車的車門結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算提高計(jì)算效率，在合理范圍內(nèi)，簡(jiǎn)化或去除一些對(duì)分析結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)，如圓角、小孔等。將模型導(dǎo)入CAE分析軟件做模型前處理，網(wǎng)格劃分采用四邊形單元，對(duì)于復(fù)雜過(guò)渡曲面則采用三角形單元輔助劃分。車門網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，其單元數(shù)為96 338；節(jié)點(diǎn)數(shù)為97 745；鉸鏈安裝孔處約束全部自由度；垂直方向施加800 N的載荷于鎖扣位置；最大變形量為11.17 mm；垂直剛度值為71.2 N/mm。

圖3 車門網(wǎng)格劃分

車門垂直剛度位移云圖如圖4所示。從圖4可知，車門下垂位移量較大，車門鎖扣一側(cè)位移量較大，窗框右上側(cè)的位移量最大，易導(dǎo)致車門發(fā)生翹曲變形，車門剛度較低，可以繼續(xù)提高。

圖4 車門垂直剛度位移云圖

1.3 車門模態(tài)分析

車門模態(tài)分析是研究車門系統(tǒng)振動(dòng)特性的重要步驟，根據(jù)車門結(jié)構(gòu)的固有頻率可為車門的形貌優(yōu)化和聲場(chǎng)強(qiáng)度分析奠定基礎(chǔ)。由于車門所受外界激勵(lì)大部分為低頻的，低階振動(dòng)比高階振動(dòng)對(duì)車門性能的影響大，故只保留車門低階振動(dòng)特性。約束施加在車門鉸鏈處與車門鎖扣處，分別約束其全部自由度，求解車門板件的前4階模態(tài)。車門前4階模態(tài)振型如圖5所示。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖5 車門前4階模態(tài)振型

表1 車門板件前4階模態(tài)頻率及振型描述

按照車門設(shè)計(jì)原則，車門固有頻率應(yīng)控制在20～40 Hz之間[9]，顯然此車門固有頻率較低，不符合要求，仍需改進(jìn)。

2 車門聲輻射分析

2.1 邊界元法

邊界元法是在邊界上離散，適用于求解無(wú)限域問(wèn)題，具有較好的精確度和可靠性。在聲輻射求解上，當(dāng)計(jì)算模型很大時(shí)，只需利用邊界元算法，提取模型的面網(wǎng)格即可，計(jì)算量小，準(zhǔn)確性高。筆者運(yùn)用直接邊界元法進(jìn)行車門的聲輻射分析。

對(duì)于封閉網(wǎng)格的內(nèi)部聲場(chǎng)或外部聲場(chǎng)，直接邊界元法可直接計(jì)算，其系統(tǒng)方程為：

Hp=Jvn

(7)

式中：H和J為影響矩陣；p為流體模型表面的節(jié)點(diǎn)壓力；vn為流體模型表面法線方向的節(jié)點(diǎn)速度[10]。

聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)p處的聲壓為：

Pp=aTp+bTvn

(8)

式中：aT為聲壓系數(shù)矩陣；bT為流體模型表面法線方向上的節(jié)點(diǎn)速度系數(shù)矩陣；Pp為p點(diǎn)處的聲壓值。

2.2 車門板聲輻射分析

采用聲學(xué)仿真軟件LMS Virtual.lab對(duì)車門關(guān)閉的車內(nèi)聲場(chǎng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，載荷激勵(lì)設(shè)置在車門鎖扣處，大小為800 N；計(jì)算頻率設(shè)在20～200 Hz之間，間隔為2 Hz；流體介質(zhì)定義為空氣，聲速為340 m/s，密度為1.225 kg/m3。車門邊界元模型的參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)入聲學(xué)響應(yīng)計(jì)算，可得到該車門模型在激勵(lì)頻率為180 Hz處的聲壓分布云圖,如圖6所示。由圖6可知該車門原始模型聲場(chǎng)輻射計(jì)算的最大聲壓值為143 dB。

圖6 原始車門模型在180 Hz處聲壓云圖

3 車門優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 車門形貌優(yōu)化

從上述分析可知，該車門的模態(tài)性能及剛度性能仍有提高空間，利用有限元軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)車門內(nèi)板進(jìn)行形貌優(yōu)化，計(jì)算出車門內(nèi)板可優(yōu)化區(qū)域，通過(guò)添加加強(qiáng)筋，提高車門剛度及模態(tài)性能。

優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)為：車門下垂位移減小，車門前4階模態(tài)頻率提高。

優(yōu)化設(shè)計(jì)約束為：最小起筋寬度為20 mm，起筋角為60°，最大起筋高度為8 mm。

優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為網(wǎng)格的單元密度。

優(yōu)化計(jì)算完成后，車門的單元密度云圖如圖7所示，起筋優(yōu)化形狀云圖如圖8所示。

圖7 單元密度分布云圖

圖8 起筋優(yōu)化形狀云圖

從圖7可看出，車門內(nèi)板左下角靠近鉸鏈處單元密度較高，接近于1，該區(qū)域是需要添加加強(qiáng)筋的位置。圖8中，深色部分為可進(jìn)行優(yōu)化的區(qū)域，可添加高度為4 mm加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。

根據(jù)形貌優(yōu)化結(jié)果，加強(qiáng)筋的最優(yōu)分布位置在車門左下角處，加強(qiáng)筋的高度設(shè)計(jì)為4 mm最為合適，考慮到原始車門模型的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)筋的高度設(shè)計(jì)為20 mm，優(yōu)化前后的車門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖9和圖10所示。

圖9 車門原始結(jié)構(gòu)

圖10 車門優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)化前后車門性能對(duì)比

優(yōu)化后車門前4階模態(tài)振型云圖、剛度位移云圖以及聲壓分布云圖如圖11～圖13所示。

圖11 優(yōu)化后車門前4階模態(tài)振型

圖12 優(yōu)化后車門垂直剛度位移云圖

圖13 優(yōu)化車門后模型在180 Hz處聲壓云圖

通過(guò)在原始車門結(jié)構(gòu)上添加加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化，得到車門下垂位移減小，各階振動(dòng)模態(tài)頻率有所提高，車門剛度及模態(tài)性能均有所改善，車門關(guān)閉過(guò)程產(chǎn)生的噪聲聲壓值有所減小，達(dá)到關(guān)門聲優(yōu)化目標(biāo)。數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 優(yōu)化前后車門性能及關(guān)門聲壓值對(duì)比表

4 結(jié)論

以某試驗(yàn)車車門結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，以降低車門關(guān)門噪聲為優(yōu)化目標(biāo)。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果、有限元仿真及聲學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)，可確定車門結(jié)構(gòu)可優(yōu)化區(qū)域，在車門內(nèi)板左下角處設(shè)置加強(qiáng)筋，可提高車門的垂直剛度及模態(tài)頻率，提高車門的振動(dòng)性能。

(2)通過(guò)對(duì)車門振動(dòng)性能的提升，可降低車門系統(tǒng)關(guān)閉過(guò)程中噪聲的聲壓值，提升車門的關(guān)門聲品質(zhì)。