doi：10.11835/j.issn.1000-582X.2023.206

摘要：文章提出了流水槽區(qū)域采用結(jié)構(gòu)加強(qiáng)類產(chǎn)品（composite body solution，CBS）支架方法，將流水槽區(qū)域由于剛度不足引起的車內(nèi)轟鳴噪聲和行人保護(hù)成人頭部得分進(jìn)行平衡，既可降低車內(nèi)轟鳴噪聲，又能改善行人保護(hù)頭部得分。將CBS支架材料基本參數(shù)、力學(xué)特性曲線與常見金屬材料對比，得到CBS骨架材料具有低楊氏模量、低屈服強(qiáng)度特性；并根據(jù)材料應(yīng)力應(yīng)變力學(xué)特性曲線，識別出行人保護(hù)成人頭部得分對材料線性段和非線性段敏感度，得到力學(xué)特性曲線屈服段對頭部傷害更高的結(jié)論?；谌龣n全油門加速工況車內(nèi)轟鳴噪聲主要噪聲傳遞函數(shù)（noise transfer function，NTF）貢獻(xiàn)路徑，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法得到初始CBS支架輪廓結(jié)構(gòu)，根據(jù)模具成型需求將輪廓具體結(jié)構(gòu)細(xì)化。對具體的CBS結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行噪聲和行人保護(hù)驗(yàn)證，結(jié)果顯示：右懸置Z向激勵到車內(nèi)駕駛員外耳處響應(yīng)噪聲水平相比基礎(chǔ)狀態(tài)在70～80 Hz頻段改善2 dB，在150～170 Hz頻段改善約3 dB，行人保護(hù)相比基礎(chǔ)狀態(tài)得分提高1分，達(dá)到了噪聲和行人保護(hù)平衡的目的，驗(yàn)證了此方法應(yīng)用于解決車內(nèi)轟鳴噪聲和行人保護(hù)得分沖突的可行性，為后續(xù)車型開發(fā)中遇到此類問題提供了解決方案。

關(guān)鍵詞：轟鳴噪聲；行人保護(hù)；流水槽；拓?fù)?；結(jié)構(gòu)加強(qiáng)類產(chǎn)品（CBS）

中圖分類號：TB532文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1000-582X（2024）09-070-11

Multi-attribute balance design of vehicle cowl

BU Kunquan1，ZHOU Lei1，MAO Jie1，2，ZHANG Yanan1，ZHANG Ben1，ZHOU Changshui1，YAO Zaiqi1

（1.Ningbo Geely Automobile Research and Development Co.，Ltd.，Ningbo，Zhejiang 315336，P.R.China;2.College of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，P.R.China）

Abstract：This paper proposes a composite body solution（CBS）bracket method to balance the interior rumbling noise caused by the cowl with the adult head score for pedestrian protection.This method not only improves the interior noise level but also enhances the head score for pedestrian protection.Firstly，a comparison of the basic parameters and mechanical properties of CBS scaffold material and common metal materials reveals that CBS scaffold material has the advantages of low Young’s modulus and low yield strength.The sensitivity of adult head score for pedestrian protection to linear and nonlinear segments was distinguished according to the material’s mechanical property curve，indicating that the yield section has a higher impact on head injury.Secondly，the topology optimization method is used to obtain the initial CBS contour structure based on the main noise transfer function（NTF）contribution path of the vehicle roar noise，and the specific structure of the contour is refined.Finally，noise and pedestrian protection are verified for specific CBS structures.The results show that compared to the basic state，the roar noise from the Z-direction excitation of the right suspension to the driver’s external ear in the car is improved by 2 dB in 70 Hz to 80 Hz frequency band and about 3 dB in 150 Hz to 170 Hz frequency band，and the score for pedestrian protection is 1 points higher than the basic state.This method achieves a balance between noise reduction and pedestrian protection，verifying the feasibility of this method to resolve the conflict between noise and pedestrian safety.

Keywords：booming noise;pedestrian protection;cowl;topology;composite body solution（CBS）

隨著汽車在生活中的普及，客戶對汽車乘坐舒適性要求越來越高。汽車踩油門加速是用戶最常用的工況之一，該工況下出現(xiàn)轟鳴噪聲會引起明顯壓耳感，使乘員出現(xiàn)不舒適的感覺。影響車內(nèi)轟鳴的主要貢獻(xiàn)區(qū)域?yàn)榍帮L(fēng)擋特別是前風(fēng)擋下沿區(qū)域，目前主流解決方法是在流水槽內(nèi)增加不同結(jié)構(gòu)類型的金屬加強(qiáng)支架，用來加強(qiáng)風(fēng)擋下沿與流水槽之間的連接，增大風(fēng)擋下沿剛度，從而提升風(fēng)擋模態(tài)及剛度，但增加金屬加強(qiáng)支架會降低行人保護(hù)頭部得分，從而影響車型星級評判，這是目前汽車設(shè)計(jì)典型的屬性相沖突的矛盾點(diǎn)之一，需要針對此矛盾點(diǎn)提出一種平衡的方法。

郭錦鵬等[1]為了解決2 600 r/min下加速轟鳴問題，在空調(diào)進(jìn)風(fēng)口位置增加了2個加強(qiáng)支架，增加了風(fēng)擋下沿安裝面與流水槽之間的連接，提升風(fēng)擋下沿剛度，促使風(fēng)擋下沿玻璃安裝面避開了聲固耦合頻率區(qū)域，減小了6 dB噪聲，但未考慮行人保護(hù)性能。Jayanth等[2]通過增強(qiáng)流水槽上方通風(fēng)蓋板強(qiáng)度，提高客戶感知質(zhì)量和降低行人保護(hù)頭部傷害的研究，但并未涉及流水槽及風(fēng)擋下沿結(jié)構(gòu)的研究，忽略了噪聲性能；李京福等[3]利用傳遞路徑分析方法將轟鳴問題聚焦至流水槽部位，并在流水槽內(nèi)增加了加強(qiáng)支架，使轟鳴噪聲減小了10 dB，但是也未考慮行人保護(hù)性能。上述研究未將轟鳴噪聲和行人保護(hù)同時考慮，也忽略了兩者之間的沖突關(guān)系。

文中基于材料的彈塑性能及結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合轟鳴噪聲性能，利用數(shù)字拓?fù)渌惴▽α魉蹍^(qū)域進(jìn)行噪聲轟鳴敏感點(diǎn)甄別，設(shè)計(jì)支架結(jié)構(gòu)，再依據(jù)行人保護(hù)對支架結(jié)構(gòu)和材料的敏感點(diǎn)，以及模具成型工藝對支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化，最后對具體的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)類產(chǎn)品（composite bpdysolution，CBS）分別進(jìn)行噪聲和行人保護(hù)驗(yàn)證。結(jié)果顯示：右懸置Z向轟鳴噪聲水平相比基礎(chǔ)狀態(tài)在70～80 Hz頻段改善了2 dB，在150～170 Hz頻段改善了3 dB，行人保護(hù)相比基礎(chǔ)狀態(tài)得分提高約1分，達(dá)到了噪聲和行人保護(hù)平衡的目的，驗(yàn)證了文中方法應(yīng)用于解決轟鳴噪聲和行人保護(hù)沖突的可行性，為解決此處汽車設(shè)計(jì)NVH與行人保護(hù)沖突點(diǎn)提供了一種解決思路和方案。

1背景理論

在流水槽區(qū)域車內(nèi)轟鳴噪聲和行人保護(hù)沖突點(diǎn)上，車內(nèi)轟鳴噪聲主要關(guān)聯(lián)為流水槽區(qū)域剛度，行人保護(hù)得分主要關(guān)聯(lián)流水槽區(qū)域剛度和強(qiáng)度，依據(jù)材料力學(xué)特性曲線，CBS骨架材料（常見PA66+GF35）在楊氏模量和屈服強(qiáng)度方面相比鋼材（比如DC01）均低很多，可以利用此材料性能差異對流水槽區(qū)域支架進(jìn)行拓展研究。

1.1拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型建立

連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型為

式中：ti為單元i的獨(dú)立連續(xù)拓?fù)渥兞?，i=1，…，n；σi為單元i的VonMises應(yīng)力；σi0為單元i的固有質(zhì)量；n為單元總數(shù)；f（t）為過濾函數(shù)[4]，f（t）=t3。

單元性質(zhì)參數(shù)識別采用

式中：[σi]為單元許用應(yīng)力；ki為單元剛度；wi為單元質(zhì)量；ki0為單元固有剛度[5-8]。

1.2行人保護(hù)頭部傷害及得分評判

行人保護(hù)頭部評價(jià)指標(biāo)廣泛采用頭部損傷指標(biāo)值（head injury criterion，HIC）CHIC來評價(jià)行人頭部損傷程度。計(jì)算出各個頭部損傷值，按照表1規(guī)則獲取各個頭部點(diǎn)得分，計(jì)算出所有頭部得分比例，當(dāng)前最新C-NCAP法規(guī)行人保護(hù)頭部總分為10分，用頭部得分比例乘以10得到最后行人保護(hù)頭部得分。

CHIC值的計(jì)算公式為

式中：t2-t1為CHIC值達(dá)到最大的時間間隔，理論要求不超過15 ms，即時間間隔大于15 ms的加速度值將被忽略；α（t）為行人頭部質(zhì)心的合成加速度，常用重力加速度的倍數(shù)表示[9]。

1.3常見金屬材料和CBS材料對比

常見金屬材料在恒定方向受力拉伸下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。圖中，σp為材料的彈性極限，表示材料保持完全彈性變形的最大應(yīng)力，當(dāng)試件應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度σs時，應(yīng)力和應(yīng)變表現(xiàn)線性關(guān)系；但應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度后，應(yīng)力和應(yīng)變表現(xiàn)為非線性關(guān)系。εe表示彈性變形階段，屈服階段以后，材料抵抗變形的能力恢復(fù)，必須加大載荷才能使變形繼續(xù)產(chǎn)生，這稱為材料的強(qiáng)化現(xiàn)象。材料屈服以后，卸載都是彈性的，E表示斜率，在加載和卸載的過程中應(yīng)力和應(yīng)變服從各自的規(guī)律。當(dāng)完全卸載后，試件中會存在殘余變形，εp表示塑性變形階段。因此，材料發(fā)生屈服之后，應(yīng)力和應(yīng)變之間不再是單值對應(yīng)的關(guān)系，而是與受力歷史有關(guān)，這是區(qū)別于非線性彈性材料的基本屬性。

金屬材料根據(jù)其力學(xué)特性曲線不同可以用屈服強(qiáng)度來分類。材料屈服強(qiáng)度越高表示該材料越強(qiáng)、抵抗變形的能力越大，為了考慮行人保護(hù)頭部得分，在流水槽區(qū)域的鈑金材料常規(guī)采用低屈服強(qiáng)度一類，且該區(qū)域主要與車內(nèi)加速轟鳴噪聲水平相關(guān)，金屬支架結(jié)構(gòu)太弱會導(dǎo)致車內(nèi)轟鳴噪聲過大，而太強(qiáng)則會降低行人保護(hù)得分；CBS材料（常見PA66+GF35）具有低楊氏模量低屈服強(qiáng)度特點(diǎn)，詳細(xì)材料參數(shù)對比見表2和圖2所示，通過流水槽內(nèi)支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以達(dá)到剛度和強(qiáng)度分別滿足車內(nèi)轟鳴噪聲水平和行人保護(hù)得分的需求。

從表2和圖2材料參數(shù)對比得出，CBS材料（常見PA66+GF35）楊氏模量相比金屬材料低18倍，屈服強(qiáng)度相比DC01材料低2.7倍[10-11]。

1.4材料彈性受力段和塑性受力段

流水槽區(qū)域強(qiáng)度對該區(qū)域內(nèi)行人保護(hù)頭部得分影響較大，流水槽強(qiáng)度包含了材料的線性階段和非線性階段，需要甄別行人保護(hù)頭部得分對材料這2個階段的敏感度，因此，流水槽區(qū)域受行人保護(hù)頭部撞擊的受力過程分為彈性受力階段和塑性受力階段。

1.4.1材料彈性受力段

假定如圖3所示相同結(jié)構(gòu)樣件的DC01料和CBS料，根據(jù)胡克定律，使樣件產(chǎn)生ΔL長度變形的計(jì)算公式為

式中：A為樣件的橫截面積；FN為樣件所受的軸力；E為樣件材料的楊氏模量；L為桿件初始長度。

從胡克定律計(jì)算公式得出，低楊氏模量的桿件更易拉伸和壓縮，所以彈性階段CBS料比DC01金屬支架更易被壓縮，對行人保護(hù)頭部產(chǎn)生的阻力更小，能夠獲得更高的得分。

1.4.2材料塑性受力段

任何工程材料能承受的應(yīng)力都是有一定限度的，使材料喪失正常工作能力的應(yīng)力稱為極限應(yīng)力。一般認(rèn)為，塑性材料的極限應(yīng)力是其屈服極限σs，常溫、靜載條件下，塑性材料拉伸和壓縮的屈服極限基本相同，故拉、壓許用應(yīng)力也相同，為

式中：n s為屈服安全系數(shù)，安全系數(shù)的大小直接影響桿件的工作情況，若n s值取得過小，許用應(yīng)力過大，材料接近于極限應(yīng)力，桿件工作的安全性差；若n s值取得過大，材料的利用率太低，造成浪費(fèi)，所以在確定安全系數(shù)n s時需要兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性2個方面。一般的機(jī)械，采取經(jīng)驗(yàn)選?。凰苄圆牧蟦 s取1.2～2.2。

從式（5）得出，試件許用應(yīng)力CBS料相比DC01料會小很多，試件發(fā)生屈服的外力也會小很多，CBS料試件更易屈服，這樣在屈服過程中對行人保護(hù)頭部的阻力也會較小，能夠獲得更高的得分。

2轟鳴噪聲與行人保護(hù)平衡

2.1轟鳴噪聲與行人保護(hù)基礎(chǔ)狀態(tài)

某車型為了解決加速轟鳴問題，在流水槽區(qū)域增加了金屬加強(qiáng)支架，支架材料為DC01，厚度為1.2 mm，如圖4所示。

駕駛員外耳三檔全油門加速工況噪聲通過傳遞路徑分析（transfer path analysis，TPA）分解至右懸置和后懸置2個主要噪聲傳遞函數(shù)（noise transfer function，NTF）貢獻(xiàn)路徑，以75 Hz為例，如圖5所示。

噪聲傳遞函數(shù)NTF是指在車身上某激勵接附點(diǎn)處受到激勵作用時，激勵通過車身各處傳遞，從而使車身壁板振動并向車內(nèi)輻射噪聲，這種力與噪聲的關(guān)系稱為車身結(jié)構(gòu)聲學(xué)傳遞函數(shù)，用聲壓級（sound pressure level，SPL）來表示，單位是dB。三檔全油門加速工況2個主要貢獻(xiàn)路徑下右懸置和后懸置NTF曲線如圖6所示，加速轟鳴段主要關(guān)注70～80 Hz和150～170 Hz兩段。

基礎(chǔ)狀態(tài)流水槽區(qū)域行人保護(hù)頭部根據(jù)C-NCAP法規(guī)劃分碰撞區(qū)域如圖7所示，行人保護(hù)基礎(chǔ)狀態(tài)得分如圖8所示。從行人保護(hù)結(jié)果來看，流水槽區(qū)域三排頭部傷害值均較大，得分也較低，結(jié)果非常不理想。

2.2轟鳴噪聲與行人保護(hù)極限狀態(tài)驗(yàn)證

在基礎(chǔ)模型狀態(tài)基礎(chǔ)上，分別去除支架1和支架2，驗(yàn)證NTF和行人保護(hù)，得到最差狀態(tài)下的噪聲結(jié)果如圖9所示，支架去除后后懸置點(diǎn)相對駕駛員外耳在75 Hz升高了5 dB，在145 Hz升高了5 dB，在160 Hz升高了4 dB，升高較多，不可接受；支架去除后右懸置點(diǎn)相對駕駛員外耳在70 Hz升高了4 dB，在155～175 Hz升高了4.5 dB，升高較多，不可接受。

支架去除后極限狀態(tài)下流水槽區(qū)域行人保護(hù)頭部得分為5.936分，如圖10所示，相比基礎(chǔ)狀態(tài)提高了2.17分。

2.3基于噪聲拓?fù)鋬?yōu)化

2.3.1拓?fù)淠Ｐ徒⒓皡?shù)設(shè)置

去除流水槽支架1和2狀態(tài)下，設(shè)置拓?fù)渥兞靠臻g如圖11所示，拓?fù)渥兞颗c流水槽及風(fēng)擋下沿采用Tie接觸連接。定義拓?fù)渥兞咳绫?所示。

定義設(shè)計(jì)變量，將極限狀態(tài)下右懸置Z向和后懸置Z向變差的頻率段作為設(shè)計(jì)變量頻率段，如表4所示，將基礎(chǔ)狀態(tài)頻率段下NTF值作為拓?fù)浼s束目標(biāo)，如表5所示。

2.3.2拓?fù)浣Y(jié)果

求解后得到的初版拓?fù)浣Y(jié)果如圖12所示，主要貢獻(xiàn)位置集中在流水槽中間位置，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“S”形。

2.4拓?fù)浣Y(jié)果細(xì)化

設(shè)計(jì)CBS結(jié)構(gòu)需結(jié)合塑料模具成型、進(jìn)膠口位置、冷卻縮印、脫模、回彈等工藝，參考拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果、空間布置和工序等最終設(shè)計(jì)出的CBS結(jié)構(gòu)為“口”形支架結(jié)構(gòu)，如圖13所示。

2.5噪聲和行人保護(hù)驗(yàn)證

將細(xì)化后的CBS支架分別代入到對應(yīng)有限元模型進(jìn)行噪聲和行人保護(hù)驗(yàn)證，圖14為噪聲驗(yàn)證結(jié)果，CBS方案NTF效果與基礎(chǔ)狀態(tài)結(jié)果基本相當(dāng)。

圖15為行人保護(hù)驗(yàn)證結(jié)果，流水槽區(qū)域行人保護(hù)頭部傷害值降低，得分從3.766分提升至4.787分，提升約1分，提升幅度明顯，效果較好。

對比行人保護(hù)結(jié)果，金屬支架和CBS支架相比，金屬支架基本無變形而CBS支架局部已屈服變形，如圖16所示，更易吸收碰撞能量，同時給頭部造成的阻力也越小，使頭部能夠獲得更高的得分。

3結(jié)束語

1）驗(yàn)證了通過結(jié)構(gòu)平衡設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于解決流水槽引起的車內(nèi)轟鳴噪聲和行人保護(hù)沖突問題的可行性。

2）驗(yàn)證了基于材料特性平衡設(shè)計(jì)應(yīng)用于解決多屬性問題的方向性和可行性。

3）基于流水槽區(qū)域噪聲和行人保護(hù)得分平衡的問題，采用CBS結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了方向性的驗(yàn)證，較好地解決了兩者之間的矛盾，驗(yàn)證了此方法的方向性和有效性，為后續(xù)車型開發(fā)中遇到此類問題提供了解決方案。

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（編輯詹燕平）