李文平，何川林，張 帥，陳 朝，田亞坤

(燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著人們生活品質(zhì)的提高，汽車消費(fèi)者對(duì)汽車車內(nèi)聽覺舒適度的要求也逐漸提高。車窗升降系統(tǒng)作為一個(gè)日常用車中被頻繁操作的系統(tǒng)，其NVH(noise vibration harshness)性能對(duì)車內(nèi)聽覺舒適度有十分重要的影響[1]。目前，各主機(jī)廠對(duì)車窗升降系統(tǒng)噪聲的控制主要是在有試制車之后，通過試驗(yàn)測(cè)試分析產(chǎn)生噪聲的原因[2]，再反饋到設(shè)計(jì)部門做優(yōu)化，這種方法耗時(shí)耗力。為避免車窗系統(tǒng)噪聲控制過程中煩冗的噪聲測(cè)試再優(yōu)化的過程，本文通過對(duì)車窗上升過程進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真和聲學(xué)仿真，探究了無實(shí)車階段對(duì)車窗系統(tǒng)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。

目前已有學(xué)者對(duì)車輛各子系統(tǒng)NVH性能預(yù)測(cè)做了大量的研究。趙業(yè)淼等[3]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，得到頻率響應(yīng)結(jié)果；將頻率響應(yīng)結(jié)果導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型作為激勵(lì)，計(jì)算出了發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)位移響應(yīng)；通過聲學(xué)仿真軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)邊界元模型，導(dǎo)入激勵(lì)位移響應(yīng)，計(jì)算出了發(fā)動(dòng)機(jī)的聲壓分布，貢獻(xiàn)量分析得出油底殼聲壓貢獻(xiàn)量最大，對(duì)油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化成功地降低了發(fā)動(dòng)機(jī)總體輻射噪聲。Copiello等[4]建立了排氣管道的聲學(xué)有限元模型，在聲學(xué)軟件中定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)聲源振幅，對(duì)排氣管道模型進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗(yàn)證并計(jì)算了其聲傳遞損失；再以試驗(yàn)測(cè)出的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲為聲源，計(jì)算得到了排氣噪聲響應(yīng)；分析了排氣管道幾何形狀及內(nèi)部多孔材料對(duì)排氣噪聲的影響。王歡等[5]建立商用車駕駛室有限元模型并求解其自由模態(tài)，與試驗(yàn)自由模態(tài)進(jìn)行對(duì)比修正了駕駛室有限元模型；運(yùn)用Virtual Lab軟件建立駕駛室聲學(xué)仿真模型，采集各內(nèi)飾部件的聲阻抗參數(shù)導(dǎo)入模型作為邊界條件，將試驗(yàn)采集的駕駛室懸置點(diǎn)加速度作為模型激勵(lì)，仿真計(jì)算出駕駛室聲學(xué)響應(yīng)；通過板件貢獻(xiàn)量分析確定了噪聲貢獻(xiàn)最大的板件，通過添加自由阻尼層有效地降低了駕駛室內(nèi)聲壓級(jí)。Jean-Dupont等[6]對(duì)電動(dòng)汽車的電機(jī)噪聲進(jìn)行了研究，根據(jù)麥克斯韋原理計(jì)算了由電磁現(xiàn)象引起的激勵(lì)力，通過電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真得出此激勵(lì)力下電機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)；將電機(jī)振動(dòng)響應(yīng)導(dǎo)入聲學(xué)仿真模型作為邊界條件計(jì)算出了電機(jī)噪聲，并對(duì)其進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗(yàn)證；在此基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行缺陷驗(yàn)證，得到了電機(jī)結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)電機(jī)輻射噪聲的影響。

本文在前人研究基礎(chǔ)上提出了一種通過結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真及聲學(xué)仿真在車型開發(fā)數(shù)模階段預(yù)測(cè)車窗上升過程N(yùn)VH性能的方法。通過對(duì)密封條進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)及CLD(壓縮載荷)試驗(yàn)，仿真修正了密封條的有限元模型；以試驗(yàn)采集的玻璃升降電機(jī)本體振動(dòng)加速度為激勵(lì)[7]，建立車窗上升過程的動(dòng)力學(xué)仿真模型，從仿真結(jié)果中提取內(nèi)板對(duì)標(biāo)點(diǎn)的振動(dòng)加速度與該處試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確度[8]；將車門系統(tǒng)上所有節(jié)點(diǎn)的仿真振動(dòng)加速度導(dǎo)入聲腔模型中作為邊界條件，導(dǎo)入試驗(yàn)測(cè)出的升降電機(jī)本體噪聲為聲源，建立車窗上升過程聲學(xué)仿真模型，從仿真結(jié)果中提取主駕左耳處聲壓響應(yīng)與該處試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了聲學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 密封條有限元模型

1.1 密封條單軸拉伸試驗(yàn)及本構(gòu)模型擬合

本文考慮導(dǎo)槽密封條和水切密封條與玻璃的摩擦振動(dòng)響應(yīng)，需要對(duì)密封條進(jìn)行精準(zhǔn)建模[9]。密封條的材料是三元乙丙橡膠，為超彈性材料，其應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系需用應(yīng)變能函數(shù)進(jìn)行描述[10]。

根據(jù)國標(biāo)《GB/T528—2009》用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行密封條單軸拉伸試驗(yàn)，將密封條原件用裁刀裁成啞鈴狀，用測(cè)厚計(jì)測(cè)量其厚度，用打標(biāo)器標(biāo)定試驗(yàn)段長(zhǎng)度為25 mm，將制成的密封條樣件對(duì)稱地夾持在試驗(yàn)機(jī)上、下夾持器上，夾持位置如圖1所示。

圖1 密封條單軸拉伸試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)過程中，設(shè)置拉伸長(zhǎng)度為25 mm，即變形率為100%，反復(fù)拉伸試樣20次以消除Mullins效應(yīng)[11]，第21次將試樣拉斷。若試樣在標(biāo)定段內(nèi)被拉斷，則作為試驗(yàn)結(jié)果，反之，則重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。5組有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，在一致性較好的幾組中任選一組作為最終試驗(yàn)結(jié)果，見表1所示。

表1 名義應(yīng)力-名義應(yīng)變

將表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Abaqus軟件中進(jìn)行密封條本構(gòu)模型的擬合[12]，材料類型選擇超彈性材料，試驗(yàn)數(shù)據(jù)類型選擇單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

擬合得出Ogden3階模型和MARLOW模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 本構(gòu)模型擬合曲線

1.2 密封條壓縮載荷(CLD)測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QCT 710—2004用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)密封條進(jìn)行壓縮載荷測(cè)試。從密封條原件上截取長(zhǎng)度為(100±2)mm的5個(gè)試樣，將試樣固定在試驗(yàn)機(jī)下工裝的上表面，使之與上工裝壓板平行，保證試驗(yàn)中所施加的載荷作用線與試樣的中心線一致，安裝位置如圖3所示。

圖3 密封條CLD試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)之前，手動(dòng)調(diào)整試驗(yàn)機(jī)上壓板至接近密封條上部但不接觸的狀態(tài)，設(shè)置下壓速度為 30 mm/min，密封條壓縮量為4 mm時(shí)停止壓縮。共進(jìn)行5組試驗(yàn)，在一致性較好的幾組中任選一組作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

1.3 密封條有限元模型標(biāo)定

密封條與玻璃之間為摩擦振動(dòng)，兩者剛度相差很大，振動(dòng)主要由密封條單元微小且急速地蠕變產(chǎn)生，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行橡膠材料摩擦振動(dòng)有限元仿真時(shí)，需要精度極高的橡膠有限元模型。本文通過密封條CLD仿真并與試驗(yàn)值對(duì)比來確定影響其模型精度的各項(xiàng)因素，這個(gè)過程即對(duì)密封條有限元模型的標(biāo)定。

根據(jù)密封條CLD測(cè)試樣件的實(shí)際幾何尺寸及約束建立密封條CLD仿真有限元模型，見圖4所示。

圖4 密封條有限元模型

密封條材料為擬合得出的超彈性材料本構(gòu)模型，模型底部為全約束固定，調(diào)整壓板單元的位置至剛要接觸密封條的狀態(tài)，對(duì)壓板施加垂向30 mm/min的速度，仿真時(shí)間設(shè)置8 s，即壓縮位移為4 mm。提取壓板上的壓縮反力，此壓縮反力即密封條的CLD值。

影響密封條有限元模型精度的主要因素為材料本構(gòu)模型、密封條單元類型、密封條和壓板的單元尺寸。本文擬合得出的密封條本構(gòu)模型為Ogden3階模型和MARLOW模型；Abaqus軟件中超彈性材料的單元類型為雜交單元，由于所能提供的參數(shù)限制，單元類型只能在C3D8H、C3D8RH、C3D8IH中選擇。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)密封條單元尺寸選擇0.5 mm，壓板單元尺寸為1 mm。

分別將2種本構(gòu)模型和3種單元類型組合代入密封條CLD仿真模型中，計(jì)算得出6種情況下的密封條仿真CLD值。將試驗(yàn)CLD值與仿真CLD值對(duì)比，得出當(dāng)密封條本構(gòu)模型為Ogden3階，結(jié)構(gòu)單元類型為C3D8IH的情況下，密封條CLD仿真值與試驗(yàn)值誤差最小，見圖5所示。

圖5 CLD仿真值與試驗(yàn)值曲線

由圖5中可以看到：最大誤差百分比為8.3%，壓縮位移在3 mm以下時(shí)，仿真值與試驗(yàn)值的誤差很小，玻璃與密封條的壓縮距離一般為2.5 mm，因此可以認(rèn)為該密封條有限元模型能用于車窗上升過程動(dòng)力學(xué)仿真分析。

2 車窗系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型

2.1 升降電機(jī)本體及內(nèi)板對(duì)標(biāo)點(diǎn)振動(dòng)加速度采集

玻璃升降電機(jī)通過3個(gè)安裝點(diǎn)固定在車門內(nèi)板上，電機(jī)運(yùn)行過程中，其本體振動(dòng)通過3個(gè)安裝點(diǎn)對(duì)車門內(nèi)板持續(xù)激勵(lì)，本文通過試驗(yàn)采集升降電機(jī)本體振動(dòng)加速度作為車窗系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型的激勵(lì)[13]為驗(yàn)證所建動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，在車門內(nèi)板上遠(yuǎn)離電機(jī)安裝點(diǎn)處確定一點(diǎn)為對(duì)標(biāo)點(diǎn)。通過試驗(yàn)采集玻璃上升過程中對(duì)標(biāo)點(diǎn)的振動(dòng)加速度，將對(duì)標(biāo)點(diǎn)的振動(dòng)加速度試驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行對(duì)比用以指導(dǎo)動(dòng)力學(xué)仿真模型的修正和準(zhǔn)確度驗(yàn)證。對(duì)標(biāo)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試位置及仿真值提取位置見圖6所示，仿真值提取點(diǎn)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1886747。

圖6 對(duì)標(biāo)點(diǎn)位置示意圖

運(yùn)用LMS信號(hào)采集系統(tǒng)和三向加速度傳感器分別采集車窗上升過程升降電機(jī)本體和車門內(nèi)板對(duì)標(biāo)點(diǎn)的振動(dòng)加速度[14]。

2.2 建立車窗系統(tǒng)有限元模型

車窗系統(tǒng)主要包括車門鈑金、車窗玻璃、車門內(nèi)飾板、導(dǎo)槽密封條及水切密封條，將上述部件運(yùn)用hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，車門鈑金用8 mm的殼單元模擬，車窗玻璃和車門內(nèi)飾板用 6 mm的殼單元模擬，密封條用0.5 mm的六面體實(shí)體單元模擬。建立的車窗系統(tǒng)有限元模型見圖7所示。

圖7 車窗系統(tǒng)有限元模型示意圖

模型中的連接關(guān)系主要有焊點(diǎn)、焊縫、粘膠、螺栓，其中焊點(diǎn)用faster類型中的CONN3D2單元模擬；焊縫用beam類型中的COUP_KIN單元模擬；螺栓用rbe2單元模擬；膠粘用六面體單元C3D8/C3D6模擬，需保證六面體單元節(jié)點(diǎn)與連接鈑金殼單元節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。

2.3 仿真參數(shù)及邊界條件的設(shè)置

車窗玻璃在正確的安裝位置時(shí)，密封條唇邊對(duì)玻璃有夾持作用，本文在Abaqus軟件中使用2個(gè)分析步來保證玻璃處于正確安裝狀態(tài)，step1對(duì)密封條施加微小的壓力使其唇邊張開，step2釋放唇邊壓力使密封條唇邊自動(dòng)回彈與玻璃接觸，該過程完成了玻璃與密封條的正確裝配，在此狀態(tài)下密封條對(duì)玻璃有預(yù)壓力，如圖8所示。

圖8 玻璃與水切密封條裝配示意圖

車門通過鉸鏈和門鎖與車身相連，車門邊緣其他部分則是通過車門密封條與車身密封條彈性接觸，仿真模型中通過約束車門鉸鏈和門鎖處的3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來固定車門系統(tǒng)[15]。車窗玻璃上升行程位移為425 mm，上升時(shí)間為3.1 s，本文考慮車窗玻璃勻速上升，對(duì)車窗玻璃施加位移約束，使其在3.1 s的時(shí)間內(nèi)上升到指定位置。仿真中將試驗(yàn)采集到的升降電機(jī)本體振動(dòng)加速度激勵(lì)通過安裝點(diǎn)輸入仿真模型。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析及模型驗(yàn)證

仿真計(jì)算得出車窗上升過程車門系統(tǒng)上所有節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)加速度。車門法向振動(dòng)加速度響應(yīng)云圖如圖9所示。

圖9 車門振動(dòng)加速度響應(yīng)云圖

為驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確度，在仿真模型中提取內(nèi)板對(duì)標(biāo)點(diǎn)處的振動(dòng)加速度仿真值與試驗(yàn)值，如圖10所示。

圖10 振動(dòng)加速度仿真值與試驗(yàn)值曲線

由圖10可以看出，仿真值與試驗(yàn)值在趨勢(shì)上較為一致，在幅值上有一定的誤差，計(jì)算得出振動(dòng)加速度平均誤差為8.9%。由于建立動(dòng)力學(xué)仿真模型時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，去掉了對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響不大且自身振動(dòng)較小的零部件，因此出現(xiàn)誤差是合理的，可以認(rèn)為該模型正確。

3 車窗系統(tǒng)聲學(xué)仿真模型

3.1 升降電機(jī)單體及主駕左耳處噪聲測(cè)試

本文考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲，將升降電機(jī)近場(chǎng)噪聲測(cè)出，以噪聲源的形式輸入聲學(xué)模型中與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格做聲振耦合分析。運(yùn)用LMS信號(hào)采集系統(tǒng)和聲學(xué)麥克風(fēng)對(duì)升降電機(jī)近場(chǎng)噪聲進(jìn)行采集[16]，得到升降電機(jī)單體噪聲信號(hào)。

為驗(yàn)證聲學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確性，運(yùn)用人工頭信號(hào)采集系統(tǒng)采集車窗玻璃上升過程中主駕左耳處的噪聲信號(hào)[17]，通過信號(hào)處理軟件計(jì)算出該處噪聲信號(hào)的聲壓級(jí)曲線，后續(xù)用來進(jìn)行聲學(xué)模型準(zhǔn)確性對(duì)標(biāo)。

3.2 仿真模型搭建及邊界條件設(shè)置

將包含車窗系統(tǒng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)振動(dòng)信息的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果導(dǎo)入聲學(xué)仿真軟件中，基于動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格建立聲學(xué)耦合面，將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的振動(dòng)信息映射到聲學(xué)耦合面上[18]。聲學(xué)耦合面為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的包絡(luò)網(wǎng)格，其網(wǎng)格尺寸大小依據(jù)求解的最高頻率確定，一般要求一個(gè)波長(zhǎng)包含6～8個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸計(jì)算公式為

(1)

式中：λ為波長(zhǎng)，m；c為空氣域聲速，m/s；f為求解的最高頻率，Hz；L為聲學(xué)耦合面單元尺寸，m。 車窗上升過程的噪聲主要集中在4 000 Hz以內(nèi)，根據(jù)式(1)計(jì)算得出L為0.014 m。

考慮車窗上升過程中車內(nèi)的聲學(xué)響應(yīng)，建立四分之一車身的聲腔有限元網(wǎng)格，聲腔網(wǎng)格的尺寸要求與聲學(xué)耦合面網(wǎng)格要求一致。在聲腔有限元網(wǎng)格的外表面上定義聲學(xué)無限元邊界面，即聲波可以無反射地穿過該邊界向外自由擴(kuò)散。建立的聲學(xué)仿真模型如圖11所示。

圖11 四分之一車身聲學(xué)仿真模型示意圖

將動(dòng)力學(xué)仿真得到的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果導(dǎo)入模型定義振動(dòng)聲源，將試驗(yàn)測(cè)出的升降電機(jī)單體噪聲導(dǎo)入模型定義點(diǎn)聲源。聲腔中主駕左耳處設(shè)置為聲學(xué)響應(yīng)輸出點(diǎn)，求解模型4 000 Hz以內(nèi)的聲學(xué)響應(yīng)。

3.3 仿真結(jié)果分析及驗(yàn)證

聲學(xué)仿真計(jì)算得出車窗上升過程中四分之一車身內(nèi)部各處的聲學(xué)響應(yīng)，車窗玻璃平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的聲壓云圖如圖12所示，可以看到聲壓級(jí)在50 dB附近變化，與試驗(yàn)結(jié)果相符。

圖12 四分之一車身聲壓云圖

從聲學(xué)響應(yīng)輸出點(diǎn)提取車窗玻璃上升過程主駕左耳處的聲壓級(jí)仿真值與試驗(yàn)值[19]，如圖13所示。

圖13 主駕左耳聲壓級(jí)仿真值與試驗(yàn)值曲線

從圖13中可以看出仿真值與試驗(yàn)值趨勢(shì)一致，但有一定的誤差。由于進(jìn)行聲腔建模時(shí)，去掉了車內(nèi)所有零部件，沒有考慮零部件及汽車內(nèi)飾的聲反射問題，將聲腔作為自由場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得出平均聲壓級(jí)誤差在10%以內(nèi)，考慮到模型的簡(jiǎn)化可以認(rèn)為仿真結(jié)果正確，模型能對(duì)車窗上升過程產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)和仿真結(jié)合的方法標(biāo)定密封條，得到了準(zhǔn)確的密封條有限元模型；建立了車窗上升過程的動(dòng)力學(xué)仿真模型并進(jìn)行了驗(yàn)證；以動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果為振動(dòng)聲源，以升降電機(jī)本體噪聲為點(diǎn)聲源，建立了聲學(xué)仿真模型，仿真計(jì)算得到了車窗上升過程中主駕左耳處的聲壓變化曲線。結(jié)論如下：

1) 對(duì)密封條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)擬合出本構(gòu)模型，通過密封條試驗(yàn)CLD值與仿真CLD值對(duì)比標(biāo)定密封條有限元模型，得到較為準(zhǔn)確的密封條有限元模型。

2) 對(duì)車窗系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化并建立了車窗上升過程的動(dòng)力學(xué)仿真模型，誤差在合理范圍內(nèi)，其仿真結(jié)果對(duì)車門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

3) 通過對(duì)車窗上升過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)仿真，得到了主駕左耳處準(zhǔn)確的聲壓響應(yīng)，運(yùn)用該方法可以在車型開發(fā)前期預(yù)測(cè)車窗升降系統(tǒng)的NVH性能，節(jié)省開發(fā)成本。