姜雪，許京 ,鄧建交，侯杭生

（1.130013 吉林省 長(zhǎng)春市 中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司研發(fā)總院；2.130011 吉林省 長(zhǎng)春市 汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

近年來(lái)，汽車(chē)的道路噪聲性能越來(lái)越受消費(fèi)者關(guān)注。輪胎作為汽車(chē)上的重要且復(fù)雜的部件，其性能對(duì)道路噪聲的影響舉足輕重。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈、開(kāi)發(fā)周期一再縮短的今天,虛擬開(kāi)發(fā)能力已成為不可或缺的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)手段。在整車(chē)道路噪聲分析中，如何高效準(zhǔn)確地建立輪胎模型是最為關(guān)鍵和困難的部分，這是因?yàn)榉浅?fù)雜的輪胎構(gòu)造包括了帶束層、簾布層、胎面膠、胎肩膠、三角膠等各種材料，橡膠作為輪胎的主體材料，具有很強(qiáng)的非線性特性，并且輪胎中的許多鋪層無(wú)法采用各向同性材料描述。輪胎建模的方法一直在摸索和研究中。國(guó)內(nèi)外對(duì)于輪胎模型的研究理論大致分為3 類(lèi)：彈性基環(huán)形梁模型、薄殼模型和有限元模型。

目前主流輪胎廠家一般采用非線性有限元模型進(jìn)行分析，基于ABAQUS 軟件中的非線性分析和材料模塊，該方法可以細(xì)致表述輪胎的物理結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)嵌的橡膠本構(gòu)關(guān)系模型公式，根據(jù)試驗(yàn)獲得的材料參數(shù)特性擬合本構(gòu)關(guān)系公式，確定橡膠本構(gòu)關(guān)系類(lèi)型和特征參數(shù)，從而建立較準(zhǔn)確的輪胎模型，不過(guò)該方法需要針對(duì)輪胎的每一層鋪層進(jìn)行材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)。輪胎中鋪層多且很薄，如圖1 所示，而整車(chē)廠難以獲得各個(gè)鋪層的試驗(yàn)樣本，因此輪胎建模非常困難。同時(shí)，目前主流的道路噪聲分析都采用線性求解器，該模型為非線性有限元模型，適合于計(jì)算輪胎單體的特性，無(wú)法應(yīng)用到基于線性求解的整車(chē)有限元分析中[1-3]。

圖1 典型的輪胎結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical tire structure

在道路噪聲分析過(guò)程中，為了配合整體有限元的線性分析求解，輪胎模型也必須為線性有限元模型。目前商業(yè)化的線性模型主要有CD-TIRE 模型，該模型是一個(gè)參數(shù)化的模型，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)確定輪胎特征參數(shù)，由這些特征參數(shù)來(lái)表達(dá)輪胎的物理特性，但這些工作必須依賴(lài)于輪胎技術(shù)供應(yīng)商的試驗(yàn)測(cè)試和軟件數(shù)據(jù)處理。每款新車(chē)型的開(kāi)發(fā)都需要輪胎技術(shù)供應(yīng)商重新做試驗(yàn)獲取輪胎參數(shù)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)工作繁瑣，不僅耗費(fèi)大量時(shí)間、資金，并且無(wú)法進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備以適用不同的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，不利于CAE 能力的橫展[4-6]。為了克服這些困難，本文采用以線性輪胎模型為基礎(chǔ)的有限元整車(chē)分析方法分析道路噪聲。

1 整車(chē)道路噪聲分析

整車(chē)道路的虛擬計(jì)算首先需要建立整車(chē)有限元模型，圖2 為本文使用的整車(chē)有限元模型，包括模態(tài)輪胎、底盤(pán)結(jié)構(gòu)件、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件、內(nèi)飾車(chē)身和車(chē)身聲腔。

圖2 乘用車(chē)整車(chē)模型Fig.2 Complete model of passenger car

目前，底盤(pán)結(jié)構(gòu)件、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件、內(nèi)飾車(chē)身和車(chē)身聲腔的建模方法都很成熟。進(jìn)行整車(chē)道路噪聲虛擬分析時(shí)，必須在輪胎接地處輸入粗糙路面不平度的激勵(lì)，即路面相對(duì)于參考平面的高度差，然后將該激勵(lì)轉(zhuǎn)化為功率譜密度施加在輪胎接地點(diǎn)處，因此輪胎是道路載荷傳遞的關(guān)鍵部件，其固有特性的確定和建模方法對(duì)分析結(jié)果影響顯著。

采用以線性輪胎模型為基礎(chǔ)的有限元整車(chē)分析方法，首先立足于簡(jiǎn)單快捷的剛體輪胎方法，建立了一個(gè)剛性環(huán)的線性輪胎有限元模型。該模型中輪胎所有的節(jié)點(diǎn)都為剛性，胎面各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)NASTRAN 的RBE2 單元與輪心相連，在輪心處和胎面接地點(diǎn)處定義接觸點(diǎn)，如圖3 所示。

圖3 剛性環(huán)輪胎模型Fig.3 Rigid tire model

輪胎模型完成后置入整車(chē)模型中，輪胎胎面接地處輸入粗糙路面不平度激勵(lì)，計(jì)算工況為勻速50 km/h，計(jì)算駕駛員內(nèi)耳和駕駛員外耳的A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，分析得到的車(chē)內(nèi)噪聲結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，裝配剛性輪胎的整車(chē)道路噪聲達(dá)到100 dB（A），嚴(yán)重偏離了道路噪聲的正常水平。由此得出結(jié)論：該輪胎模型無(wú)法反映真實(shí)的道路噪聲水平，建立更為準(zhǔn)確的線性有限元輪胎模型勢(shì)在必行。基于這個(gè)結(jié)論，輪胎的力學(xué)特性必須納入模型，同時(shí)也需兼顧線性化的整車(chē)模型和計(jì)算的簡(jiǎn)易性，本文采用模態(tài)輪胎分塊建模法進(jìn)行整車(chē)道路噪聲分析。

圖4 剛性環(huán)輪胎與模態(tài)輪胎車(chē)內(nèi)噪聲計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of results between rigid tire and modal tire

2 模態(tài)輪胎建模

模態(tài)輪胎分塊建模法不考慮輪胎本體的材料和結(jié)構(gòu)特性，而是用輪胎的模態(tài)來(lái)代表輪胎的力學(xué)特性。具體的步驟是：將輪胎沿?cái)嗝娣謮K，對(duì)每一塊橡膠采用線性單元模擬，采用各向同性材料，通過(guò)調(diào)整每一塊材料特性，使輪胎模型的模態(tài)特性符合實(shí)際輪胎的模型特性。

建模時(shí)需要首先建立輪胎截面，截面單元為四邊形或者三角形單元，截面分成多個(gè)豎條，針對(duì)每一豎條設(shè)置不同的材料屬性，均假設(shè)為線彈性材料，材料屬性關(guān)于輪胎斷面中線左右對(duì)稱(chēng)，其斷面模型如圖5 所示。斷面模型建好后，圍繞輪心點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，生成輪胎3D 模型。整個(gè)輪胎模型如圖6 所示。

圖5 輪胎截面模型Fig.5 Cross section of tire model

圖6 模態(tài)輪胎模型Fig.6 Modal tire

基于已建立的輪胎模型，需要進(jìn)行材料參數(shù)優(yōu)化才能表現(xiàn)輪胎實(shí)際模態(tài)特性。根據(jù)輪胎模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果、輪胎質(zhì)量等信息，對(duì)輪胎中每一種材料進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化變量包括材料的密度和彈性模量。優(yōu)化目標(biāo)是使計(jì)算和測(cè)試得到的輪胎模態(tài)結(jié)果基本吻合。優(yōu)化完成后，自由狀態(tài)下的輪胎模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 輪胎模態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Modal results of tire analysis

（續(xù)表）

3 輪胎模態(tài)試驗(yàn)

優(yōu)化輪胎模型材料參數(shù)的依據(jù)是實(shí)際輪胎的測(cè)試數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行輪胎模態(tài)試驗(yàn)。本文所用輪胎的尺寸為245/45R19，胎壓為整車(chē)裝配狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)胎壓0.22 MPa。在測(cè)試中，試件用橡皮條懸掛，使之處于“自由-自由”的約束狀態(tài)，如圖7 所示。測(cè)點(diǎn)的選擇基于結(jié)構(gòu)的模態(tài)變形特征，加速度傳感器依次布置在各測(cè)點(diǎn)上，測(cè)試時(shí)采用力錘激勵(lì)，分別敲擊胎面和輪轂，測(cè)量頻率范圍0～500 Hz，分析頻率范圍0～300 Hz。試驗(yàn)得到的輪胎模態(tài)分布如表2 所示。

圖7 輪胎模態(tài)試驗(yàn)圖Fig.7 Tire modal test setup

表2 實(shí)際輪胎模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Modal results of test tire

對(duì)比仿真和試驗(yàn)得到的輪胎關(guān)鍵振型的模態(tài)，誤差已滿足模型分析要求，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 優(yōu)化后的輪胎模態(tài)計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison between optimized tire modal calculation results and test results

4 整車(chē)道路噪聲分析

模態(tài)輪胎建模和優(yōu)化完成后，將其裝配到整車(chē)模型中，分析計(jì)算的工況與前相同，即勻速50 km/h，輸出位置仍為駕駛員內(nèi)耳和駕駛員外耳的聲壓級(jí)，計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。

圖8 駕駛員內(nèi)耳、外耳聲壓級(jí)計(jì)算結(jié)果Fig.8 Analytical results of sound pressure level at driver's inboard and outboard ears

計(jì)算結(jié)果表明，利用本文提出的輪胎模型進(jìn)行整車(chē)道路噪聲分析計(jì)算后，所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在±3 dB（A）左右，由此驗(yàn)證了本文提出的輪胎建模的有效性。

5 整車(chē)道路噪聲優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

從計(jì)算得到的道路噪聲頻譜結(jié)果（圖8）可以看出多處存在峰值，因此需要進(jìn)行優(yōu)化以提升道路噪聲水平。首先針對(duì)峰值位置進(jìn)行傳遞路徑分析，找到關(guān)鍵路徑。根據(jù)結(jié)構(gòu)布局提出可行的優(yōu)化方案，TPA 的判斷過(guò)程如圖9 所示。

圖9 道路噪聲TPA 分析流程Fig.9 Process of road noise TPA analysis

貢獻(xiàn)量分析首先從車(chē)輪著手，圖10 為分析結(jié)果。由圖10 可知，前排車(chē)輪貢獻(xiàn)較大，隨后計(jì)算前排車(chē)輪單獨(dú)激勵(lì)下的TPA，所得結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知，關(guān)鍵路徑包括前副車(chē)架連接點(diǎn)、前減振器上連接點(diǎn)和前下控制臂連接點(diǎn)。由于該車(chē)前副車(chē)架與車(chē)身是螺栓連接，因此前減振器上襯套和前下控制臂襯套是可以進(jìn)行優(yōu)化的部件，襯套優(yōu)化方案見(jiàn)表3。

圖10 車(chē)輪貢獻(xiàn)量分析Fig.10 Wheel contribution analysis

圖11 傳遞路徑分析結(jié)果Fig.11 Results of transfer path analysis

表3 關(guān)鍵襯套剛度優(yōu)化表Tab.3 Optimization scheme of bushing stiffness

在整車(chē)模型中按照表中所示的方案1 和方案2的襯套剛度進(jìn)行更新,將由方案1 和方案2 得出的道路噪聲結(jié)果與原結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖12 所示。圖12 顯示，2 個(gè)方案的結(jié)果均優(yōu)于原結(jié)果，并且方案2 優(yōu)于方案1。

圖12 道路噪聲CAE 優(yōu)化結(jié)果Fig.12 Optimization results of road noise analysis

根據(jù)優(yōu)化分析結(jié)果，提出前下控制臂襯套和前減振器上襯套的設(shè)計(jì)更改建議，樣件試制裝車(chē)后，進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，各種方案的比較結(jié)果如圖13 所示，由圖13 可知，趨勢(shì)和CAE 分析結(jié)果完全一致。測(cè)試數(shù)據(jù)和虛擬分析結(jié)果在數(shù)值上的差異主要源于模型中阻尼的因素。

圖13 道路噪聲試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Fig.13 Validation of analytical results by road test

6 結(jié)語(yǔ)

（1）在整車(chē)道路噪聲分析中，模態(tài)輪胎對(duì)于計(jì)算結(jié)果的聲壓級(jí)影響很大，精準(zhǔn)建立模態(tài)輪胎模型十分關(guān)鍵。利用分塊法進(jìn)行模態(tài)輪胎建模，可以較為精確地描述輪胎的模態(tài)振型，同時(shí)保留了輪胎模型的線性特性。

（2）模態(tài)輪胎建模過(guò)程簡(jiǎn)單，試驗(yàn)可操作性強(qiáng)，數(shù)據(jù)有利于積累和輪胎建模能力的不斷提升。

（3）利用TPA 分析方法，可以高效地確定道路噪聲敏感路徑和其相關(guān)結(jié)構(gòu)部件，為道路噪聲水平提升提供了有效可行的方法。