沈 陽，黃元毅，梁靜強(qiáng)，常光寶，呂兆平

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007)

0 引 言

隨著人們生活水平及消費(fèi)水平的日益增長(zhǎng)，對(duì)于汽車品質(zhì)的要求也愈加苛刻。目前，NVH(噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度)性能作為汽車乘坐舒適性的關(guān)鍵因素，其傳遞給用戶的感受最直接，已成為評(píng)判汽車品質(zhì)的重要依據(jù)之一。汽車振動(dòng)和噪聲的主要振動(dòng)源為路面不平度激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。路噪是指道路激勵(lì)噪聲，即由于輪胎受粗糙路面的激勵(lì)，直接(空氣聲)或由底盤間接(結(jié)構(gòu)聲)傳遞到車廂內(nèi)部的噪聲[1-3]。路面不平度激勵(lì)引起的車身振動(dòng)不可避免，其頻率為5～60 Hz，以車身板件為主產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲在30～300 Hz 的低、中頻范圍內(nèi)，此為路面激勵(lì)引起車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的主要頻率段，亦為顧客容易感受到的頻率段。因此，如果能采用CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)出車內(nèi)的噪聲水平，準(zhǔn)確快速提出優(yōu)化方案，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，對(duì)提高汽車產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的意義。

對(duì)于路面激勵(lì)噪聲的研究一直是NVH行業(yè)最大難題之一。近十年來，關(guān)于整車路噪分析的研究很多，其中大部分研究通常依靠樣車測(cè)試，通過獲取車身底盤接附點(diǎn)的載荷力進(jìn)行路面噪聲分析[4-5]，將NVH的設(shè)計(jì)理念前移到了整車開發(fā)的中期，但測(cè)試過程繁瑣，且需要樣車。也有部分研究通過樣車獲取輪軸中心力進(jìn)行路面噪聲分析[6-7]，其中運(yùn)用頻響函數(shù)矩陣求逆法的研究較多[8]。該方法需要在結(jié)構(gòu)的不同部位施加人為激勵(lì)獲得響應(yīng)，并進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，進(jìn)而得到頻響函數(shù)矩陣，具有工作量大、成本高、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。該方法仍需要依賴樣車的測(cè)試，對(duì)樣車的依賴嚴(yán)重拖后NVH仿真在整車開發(fā)中的前期指導(dǎo)作用。此外，還有部分研究通過虛擬路面的數(shù)學(xué)構(gòu)建，進(jìn)行了整車噪聲分析的嘗試[9-10]，雖有一定效果，但路面的構(gòu)建脫離了實(shí)際，對(duì)工程的指導(dǎo)作用有限。

基于以上背景，為解決整車開發(fā)早期沒有載荷譜無法進(jìn)行整車路面激勵(lì)噪聲預(yù)測(cè)的困境，通過路面測(cè)試對(duì)路譜激勵(lì)轉(zhuǎn)化進(jìn)行了研究，基于模態(tài)輪胎理論構(gòu)建了模態(tài)輪胎模型并集成于整車仿真模型，進(jìn)而建立了整車路噪標(biāo)準(zhǔn)分析流程，為整車產(chǎn)品路面振動(dòng)噪聲性能設(shè)計(jì)提供了有效的工程仿真手段。

1 路噪標(biāo)準(zhǔn)分析流程的建立

基于路面譜的測(cè)試和模態(tài)輪胎模型的構(gòu)建,對(duì)整車仿真模型進(jìn)行了隨機(jī)噪聲響應(yīng)分析，建立了路噪分析的標(biāo)準(zhǔn)流程，可快速高效的實(shí)現(xiàn)不同路面類型、輪胎類型、車速下的路噪仿真分析。該分析流程不依賴于具體車型，適用于任何搭載此款輪胎的車輛，最大程度地實(shí)現(xiàn)了整車路噪NVH仿真方法的可移植性。分析流程見圖1。

圖1 整車路噪標(biāo)準(zhǔn)分析流程Fig. 1 Standard analysis flow for whole vehicle road noise

圖1中：

1)測(cè)試真實(shí)路面不平度，得到路面對(duì)于基準(zhǔn)平面的高度沿道路走向長(zhǎng)度的變化，并通過傅里葉變換將其轉(zhuǎn)換為頻域的功率譜(PSD)，用于描述其統(tǒng)計(jì)特征，作為整車路面激勵(lì)輸入。

2)基于模態(tài)輪胎建模理論，經(jīng)過輪胎靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試、輪胎參數(shù)化建模及仿真、模型線性化等過程，最終建立模態(tài)輪胎并集成于整車模型。

3)通過HyperMesh 建模軟件分別建立車身結(jié)構(gòu)有限元模型、聲腔模型和底盤有限元模型，并將其搭接成整車分析模型。

4)基于NVHD的路噪仿真工具和隨機(jī)響應(yīng)分析理論，導(dǎo)入路面激勵(lì)輸入和整車模型傳遞函數(shù)計(jì)算車內(nèi)聲壓響應(yīng)，將仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果作對(duì)比，從而驗(yàn)證仿真模型及仿真方法的可靠性。

5)針對(duì)問題頻率，確定主導(dǎo)車輪，基于主導(dǎo)車輪開展TPA(傳遞路徑分析)分析，從而鎖定關(guān)鍵路徑的傳函和接附力。對(duì)于傳函較大的路徑，使用節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量、模態(tài)貢獻(xiàn)量、靈敏度分析及優(yōu)化手段來采用優(yōu)化NTF(聲傳函)、VTF(振動(dòng)傳函)和動(dòng)剛度；對(duì)于接附力較大的路徑，通?？蓪?duì)彈性連接進(jìn)行調(diào)教。

2 模態(tài)輪胎與整車分析模型的建立

整車NVH仿真必須具有預(yù)測(cè)及解決NVH問題的能力。準(zhǔn)確可靠地有限元模型是整車NVH仿真的基礎(chǔ)。采用HyperMesh建模軟件分別建立了車身結(jié)構(gòu)和聲腔耦合的有限元模型及底盤有限元模型，并將模態(tài)輪胎模型集成到搭接好的整車有限元模型中，從而進(jìn)行后續(xù)整車隨機(jī)噪聲響應(yīng)分析優(yōu)化。

2.1 模態(tài)輪胎模型構(gòu)建

輪胎構(gòu)建流程見圖2。

圖2 模態(tài)輪胎模型構(gòu)建過程Fig. 2 Construction of modal tire model

圖2中，路面激勵(lì)通過輪胎傳遞到懸架和車身。考慮到輪胎的結(jié)構(gòu)特性，路面激勵(lì)將被過濾或放大。因此，整車仿真模型需包含輪胎特性，從而有效再現(xiàn)路噪問題。模態(tài)輪胎的創(chuàng)建經(jīng)過輪胎測(cè)試、輪胎建模及仿真、模型線性化等流程[11]。

2.1.1 模態(tài)輪胎建模理論

考慮到輪胎的非線性特性及充氣、接地和軸荷等因素的影響，有限元模型很難直接應(yīng)用于整車NVH仿真分析。目前國(guó)際上最有效的方法即在整車有限元模型中匹配線性化后的模態(tài)輪胎模型，進(jìn)而完成路面譜激勵(lì)工況下的整車噪聲分析與優(yōu)化。

單一輪胎的動(dòng)力學(xué)方程可描述為：

(1)

式中：M和K分別為輪胎的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣；b為邊界結(jié)構(gòu)；a為非邊界約束結(jié)構(gòu)；ua為物理空間坐標(biāo)，如式(2)：

ua=Φaiξi

(2)

式中：Φai為特征向量矩陣；ξi為模態(tài)空間坐標(biāo)。

將物理空間坐標(biāo)ua轉(zhuǎn)換為模態(tài)空間坐標(biāo)ξi，式(1)可重構(gòu)為式(3)：

(3)

定義：

(4)

式中：mii和kii分別為模態(tài)質(zhì)量矩陣和模態(tài)剛度矩陣?；谑?4)，式(3)可以表示為：

(5)

(6)

定義Kbi為模態(tài)空間的反作用力，則有：

(7)

因此，由式(5)可得：

kii(ξi-Ψibub)=fi

(8)

對(duì)式(8)求解，可以得到模態(tài)空間坐標(biāo)ξi，進(jìn)而由式(2)轉(zhuǎn)化為與輪轂連接點(diǎn)物理空間坐標(biāo)ua。

2.1.2 模態(tài)輪胎模型

根據(jù)模態(tài)輪胎建模理論，可以建立用于整車路噪分析的模態(tài)輪胎仿真模型。模型主要由以下4個(gè)部分組成：輪胎接地點(diǎn)ub，為全約束狀態(tài)；輪胎與輪轂連接點(diǎn)，模態(tài)輪胎通常與軸頭連接并集成于整車仿真模型；表征輪胎模態(tài)屬性的模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和Ψib；不參與計(jì)算的PLOTE單元，用于直觀地顯示輪胎振型的特征。最終生成的模態(tài)輪胎模型包含121個(gè)輪胎接地點(diǎn)、輪胎與輪轂連接點(diǎn)、50 km/h車速下剛度矩陣、質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣等信息。模態(tài)輪胎模型如圖3。

圖3 模態(tài)輪胎模型Fig. 3 Modal tire model

2.2 整車分析模型的建立

2.2.1 車 身

車身模型如圖4。對(duì)于大部分的零件如車身、閉合件、玻璃等，采用殼單元模擬。對(duì)于主要的附件，采用CONM2(集中質(zhì)量點(diǎn))模擬。采用RBE2或RBE3單元將CONM2單元連接在車身安裝位置。CONM2的位置為部件的質(zhì)心位置。某些較大的部件包含慣量屬性，如備胎、油箱、蓄電池、儀表裝飾、散熱器總成等等，此時(shí)CONM2單元也需賦予相應(yīng)的慣量屬性。對(duì)于非結(jié)構(gòu)質(zhì)量，如地毯、防火墻隔音隔熱墊等，使用NSML1模擬。輸入總重量，并選中目標(biāo)區(qū)域，HyperMesh自動(dòng)計(jì)算得到單位面積質(zhì)量(即質(zhì)量除以面積)。

圖4 車身有限元模型Fig. 4 Vehicle body finite element model

2.2.2 聲 腔

為了提高仿真精度，聲腔模型包含座椅聲腔、車門內(nèi)外板之間的聲腔、側(cè)圍外板的聲腔。聲腔模型如圖5。

圖5 聲腔有限元模型Fig. 5 Acoustic cavity finite element model

2.2.3 底 盤

懸架模型如圖6。對(duì)大部分的結(jié)構(gòu)等采用殼單元和實(shí)體單元模擬，部件之間的連接使用NVHD中的Connector來管理。

圖6 底盤有限元模型Fig. 6 Chassis finite element model

3 路 譜

路譜作為車輛路面行駛工況的一個(gè)輸入源，獲得一個(gè)真實(shí)準(zhǔn)確的路面激勵(lì)對(duì)于整車噪聲分析尤為重要。以往的整車路面噪聲分析通?；谧R(shí)別車身底盤接附點(diǎn)的力或者車輪軸心力來作為激勵(lì)輸入源。然而這些方法極其依賴樣車的測(cè)試，且過程繁瑣，影響整車的開發(fā)周期。此外，還有基于路面不平度白噪聲激勵(lì)模擬方法來構(gòu)建虛擬路面，進(jìn)行整車噪聲分析。此方法雖有一定效果，但在實(shí)際工程應(yīng)用中指導(dǎo)作用有限。筆者進(jìn)行了真實(shí)路面譜的測(cè)試，對(duì)道路幾何信息激光掃描，得到路面對(duì)于基準(zhǔn)平面的高度沿道路走向長(zhǎng)度的變化，即路面不平度函數(shù)，并通過傅里葉變換將其轉(zhuǎn)換為頻域的功率譜，用于描述其統(tǒng)計(jì)特征。

3.1 路譜掃描

光滑瀝青路面為典型的客戶使用路面。選定光滑瀝青路面為測(cè)試路面，并對(duì)該路面幾何形狀進(jìn)行了掃描。此類路面在各連續(xù)路段統(tǒng)計(jì)學(xué)上相似，滿足穩(wěn)態(tài)和隨機(jī)的特性。

如圖7，在車輛輪胎處布置4個(gè)激光傳感器(內(nèi)置加速度傳感器)用于位移采集，在車輪處布置編碼器用于車速及路面長(zhǎng)度(根據(jù)車速及滾動(dòng)周長(zhǎng)換算得到)采集。試驗(yàn)時(shí)，車輛以一定的速度行駛，激光傳感器掃描地面，從而得到位移振動(dòng)信息。同時(shí)，對(duì)同步采集的加速度信號(hào)進(jìn)行積分處理得到車體運(yùn)動(dòng)信息。最后，去除車體運(yùn)動(dòng)的影響，得到路面不平度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8。圖8中：FL、FR、RL、RR分別為左前輪、左后輪、右前輪、右后輪。

圖7 路面測(cè)試布置Fig. 7 Road test layout

圖8 路面不平度Fig. 8 Road surface irregularity

3.2 路譜數(shù)據(jù)分析

通過測(cè)試采集得到的路面不平度數(shù)據(jù)為路面距離下的高度形式，對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)可以得到空間頻率的功率譜，如圖9。路面譜表示與車速無關(guān)，因此一旦路面被測(cè)量，可以被用于其他車輛模擬和其他的車輛速度。

圖9 空間頻率路面功率譜密度Fig. 9 Road surface PSD vs space frequency

路面對(duì)輪胎的激勵(lì)主要在垂向和縱向。將路面譜根據(jù)行車速度由空間頻率轉(zhuǎn)換成時(shí)間頻率，轉(zhuǎn)換式如：

(12)

式中：f為時(shí)間頻率， Hz；Ω為空間頻率，圈/mm；S(f)為時(shí)間頻率功率譜密度，mm2/Hz；S(Ω)為空間頻率功率譜密度， mm2/(圈/mm)；v為車速， mm/s。轉(zhuǎn)換之后的時(shí)間頻率譜如圖10。

圖10 時(shí)間頻率路面功率譜密度Fig. 10 Road surface PSD vs time frequency

4 整車路噪分析及優(yōu)化

車輛受路面激勵(lì)如圖11。路面譜激勵(lì)為隨機(jī)激勵(lì)，將在不同的時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生不同的組合方式，意味著總的響應(yīng)將不再確定，此時(shí)確定激勵(lì)分析將不能很好的預(yù)測(cè)整車響應(yīng)[12]。隨機(jī)響應(yīng)分析的能量疊加法則可用于預(yù)測(cè)此類激勵(lì)下的整體響應(yīng)。即：

(10)

圖11 車輛路面激勵(lì) Fig. 11 Road surface excitation of vehicle

路面譜激勵(lì)噪聲分析集成與道路譜激勵(lì)相關(guān)的各種路面幾何信息、模態(tài)輪胎信息、車輛行駛速度信息等，生成各類基于輪胎位移的整車NVH分析標(biāo)準(zhǔn)工況。

隨機(jī)響應(yīng)計(jì)算公式如式(11)：

Sxx(ω)=H(ω)Sff(ω)H(ω)H

(11)

式中：Sxx(ω)為響應(yīng)PSD譜；Sff(ω)為輸入PSD譜；H(ω)和H(ω)H分別為輸入點(diǎn)到響應(yīng)點(diǎn)傳遞函數(shù)及其共軛轉(zhuǎn)置函數(shù)。

路面PSD譜包含4個(gè)車輪各1個(gè)自譜和各車輪之間的互譜。自譜為自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，從頻率域?qū)﹄S機(jī)過程做統(tǒng)計(jì)描述，表征了信號(hào)自身的相關(guān)性?；プV為互相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，代表了兩個(gè)信號(hào)之間在幅值和相位上的相互關(guān)系，如果互譜為0，則表示兩個(gè)信號(hào)完全不相關(guān)。

隨機(jī)響應(yīng)分析流程分成兩個(gè)步驟：①計(jì)算整車從輸入點(diǎn)到響應(yīng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)，即輪胎接地點(diǎn)到響應(yīng)點(diǎn)，如駕駛員左耳、轉(zhuǎn)向盤3點(diǎn)等；②傳遞函數(shù)模的平方乘以路面的PSD譜，輸出響應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)PSD譜。第二步可以當(dāng)作對(duì)傳遞函數(shù)結(jié)果的后處理。這兩個(gè)步驟可以在OptiStruct中一次完成。鑒于目前輪胎模型的局限性，仿真輸出的頻率范圍為20～150 Hz，主要考慮駕駛員右耳的噪聲問題。

首先將仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖12。圖12中仿真曲線為典型用戶路面1在50 km/h車速下的仿真計(jì)算結(jié)果。由圖12可見，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果整體趨勢(shì)接近，仿真結(jié)果均體現(xiàn)了在測(cè)試結(jié)果中出現(xiàn)的主要問題點(diǎn)。因此，仿真模型及仿真方法是可靠的。

針對(duì)以往車型中問題較多的50 km/h工況進(jìn)行路面激勵(lì)噪聲分析。通過主觀評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)樣車在低頻段存在轟鳴聲。對(duì)比客觀測(cè)試數(shù)據(jù)，亦可發(fā)現(xiàn)在低頻段樣車的噪聲響應(yīng)水平明顯高于標(biāo)桿車，如圖12，僅針對(duì)低頻段進(jìn)行優(yōu)化。

圖12 仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig. 12 Comparison between simulation and test results

對(duì)于路噪隨機(jī)響應(yīng)分析，按照以往分析經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了如圖 13的優(yōu)化流程。即針對(duì)問題頻率，首先確定主導(dǎo)車輪，然后基于主導(dǎo)車輪開展TPA分析，從而鎖定關(guān)鍵路徑的傳函和接附力。對(duì)于傳函較大的路徑，通常可使用節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量、模態(tài)貢獻(xiàn)量、靈敏度分析及優(yōu)化手段來采用優(yōu)化NTF、VTF和動(dòng)剛度。對(duì)于接附力較大的路徑，通常可對(duì)彈性連接進(jìn)行調(diào)教。

圖13 路噪優(yōu)化診斷流程Fig. 13 Diagnostic process of road noise optimization

根據(jù)響應(yīng)分析、TPA分析、模態(tài)貢獻(xiàn)量分析、節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果，分別對(duì)頂蓋、尾門和側(cè)門進(jìn)行優(yōu)化，即：重新調(diào)整頂蓋橫梁位置，加強(qiáng)尾門鎖扣區(qū)域，在側(cè)門內(nèi)外板加支撐。優(yōu)化方案組合如圖14。優(yōu)化后，效果比較明顯。

圖14 優(yōu)化方案Fig. 14 Optimization scheme

優(yōu)化后，在低頻段噪聲下降幅度較大，如圖15。

圖15 工況優(yōu)化效果Fig. 15 Optimization results

基于優(yōu)化方案進(jìn)行樣件試制，試驗(yàn)結(jié)果如圖16。

圖16 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果Fig. 16 Test validation results

5 結(jié) 語

筆者提出的路面譜激勵(lì)整車噪聲分析流程方法，解決了無樣車狀態(tài)下整車開發(fā)前期如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)路面激勵(lì)噪聲問題，提供了一種較為準(zhǔn)確的整車模擬仿真分析方法，可綜合考慮車身與動(dòng)力底盤之間的匹配關(guān)系。該方法從整車角度進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)傳遞路徑分析結(jié)果對(duì)車身與動(dòng)力底盤系統(tǒng)進(jìn)行整車匹配，可有效指導(dǎo)優(yōu)化方向，避免盲目設(shè)計(jì)。該方法既可用于前期的NVH問題預(yù)測(cè)也可用于后期的NVH改進(jìn)。