聲子晶體梁在燃料電池車副車架減振中的應(yīng)用研究

左曙光，譚欽文，孫 慶，文岐華，馬琮淦

(同濟大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804)

燃料電池汽車因其動力總成區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，噪聲源已發(fā)生變化，且燃料電池動力系統(tǒng)布置也會影響車內(nèi)噪聲的分布及傳遞方式。圖1為燃料電池汽車結(jié)構(gòu)布置圖，產(chǎn)生噪聲的主要部件包括漩渦風(fēng)機、氫氣輔助系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機及驅(qū)動電機等［1］。

圖1 燃料電池汽車結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of fuel cell vehicle

文獻(xiàn)［2］對氫輔系統(tǒng)進(jìn)行聲振分析，認(rèn)為氫泵是燃料電池汽車內(nèi)低頻噪聲的主要來源。文獻(xiàn)［3］通過對燃料電池汽車進(jìn)行整車聲振分析表明，低速時車內(nèi)噪聲來源于氫泵及旋渦風(fēng)機，高速時則多來自驅(qū)動電機的振動與電磁輻射噪聲。氫泵由于工作轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，故產(chǎn)生的噪聲頻率固定，主要集中在50～400 Hz低頻段;旋渦風(fēng)機產(chǎn)生的噪聲變化較大，主要集中在500 Hz以上中高頻段，對低頻段也有貢獻(xiàn)，噪聲頻譜具有明顯的倍頻特性。燃料電池汽車內(nèi)400 Hz以下噪聲主要由氫泵及漩渦風(fēng)機產(chǎn)生的振動，經(jīng)副車架傳遞至車身引起振動，并向車內(nèi)輻射噪聲。衰減該振動，便可降低車內(nèi)噪聲。

聲子晶體為由兩種或兩種以上彈性介質(zhì)組成、具有周期結(jié)構(gòu)與彈性波帶隙特性的功能材料或結(jié)構(gòu)。聲子晶體周期結(jié)構(gòu)存在缺陷時，帶隙頻率范圍內(nèi)的彈性波會被局限在缺陷處，或沿缺陷傳播。其中，多振子聲子晶體與單振子相比，其帶隙特性更豐富。因此，聲子晶體尤其多振子聲子晶體可用于控制彈性波的傳播，所具有的帶隙、缺陷態(tài)等特性使其在汽車減振降噪上潛在應(yīng)用前景［4］廣闊。

陳源［5］以車身為模擬試驗對象，通過研究周期性層狀結(jié)構(gòu)對車內(nèi)噪聲影響，驗證了聲子晶體帶隙對車內(nèi)低頻噪聲的控制作用。鄭玲等［6］用有限元與傳遞矩陣法研究彈性波在一維周期結(jié)構(gòu)中的傳播特性，并分析一維聲子晶體在發(fā)動機隔振上的應(yīng)用。趙樹恩等［7］將聲子晶體應(yīng)用于梁、板結(jié)構(gòu)中，通過對發(fā)動機隔振處理，取得較好減振效果。沈禮等［8］將聲子晶體結(jié)構(gòu)引入汽車剎車裝置，通過實驗驗證了聲子晶體結(jié)構(gòu)降噪的可行性，在2 000～2 500 Hz范圍內(nèi)聲壓的降低幅值最大達(dá)25 dB，平均降噪量達(dá)13 dB以上。文獻(xiàn)［9］將聲子晶體應(yīng)用于車身頂棚板件，計算帶隙特征，并研究在頂棚板件振動的傳遞特性，表明中低頻衰減達(dá)30 dB，其它頻率亦有體現(xiàn)。文獻(xiàn)［10］綜合輪邊驅(qū)動電動汽車的振動噪聲特性，論證了將聲子晶體應(yīng)用于輪邊驅(qū)動電動汽車的減振降噪中的可行性，為聲子晶體在電動車上的減振研究奠定基礎(chǔ)。

總之，現(xiàn)有文獻(xiàn)對聲子晶體及加工成結(jié)構(gòu)件的具體應(yīng)用研究較少。本文針對燃料電池汽車中低頻振動特性，將聲子晶體梁應(yīng)用于副車架中，獲得良好減振效果。

1 聲子晶體梁在副車架上減振特性研究

據(jù)“上海牌”燃料電池車副車架幾何模型的主要尺寸及特征，建立副車架有限元模型，定義的單元屬性及材料參數(shù)，見表1。

表1 副車架模型主要材料參數(shù)Tab.1 The material parameters ofSubframe model

考慮燃料電池轎車中低頻振動主要激勵源為氫泵、電機、風(fēng)機，在燃料電池汽車的位置為副車架橫梁中間，故在該處加載激勵。由于只有上面四個凸臺與車身相連接，選取該四點振動的平均能量為輸出研究其傳遞特性，有限元結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 副車架輸出輸入點及載荷示意圖Fig.2 Input and output points of thesubframe and loads diagram

考慮副車架自身結(jié)構(gòu)及激勵位置，在副車架中間橫梁上添加周期性振子構(gòu)成聲子晶體梁，其中橫梁寬度50 mm。有限元結(jié)構(gòu)見圖3，以傳遞特性評價減振特性。

圖3 添加多振子聲子晶體結(jié)構(gòu)后的示意圖Fig.3 Added multi-oscillator phononic crystalsstructure diagram

1.1 單振子聲子晶體梁減振特性分析

據(jù)文獻(xiàn)［4］知，隨振子質(zhì)量塊密度的增大，第一振動帶隙的起始、截止頻率均逐漸減小，而帶隙寬度逐漸增大，為增加帶隙寬度，選密度較大的材料銅。隨包覆層彈性模量的增大，第一振動帶隙的起始、截止頻率均逐漸增大，帶隙寬度逐漸增大。需選適當(dāng)?shù)陌矊訌椥阅Ａ浚拍芗缺ＷC帶隙起始頻率足夠低，亦保證帶隙范圍足夠?qū)挘蔬x材料為橡膠。單振子聲子晶體梁見圖4。結(jié)構(gòu)參數(shù)為:r0=0.02 m，r1=0.025 m，r2=0.027 m，r3=0.055 m，l=0.02 m。

圖4 單振子聲子晶體梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The single oscillator phononiccrystals beam structure diagram

圖5 添加聲子晶體前后傳遞特性對比Fig.5 The transfer characteristic before and after adding the phononic crystal

據(jù)副車架本身結(jié)構(gòu)添加激勵，在有限元軟件Nastran中進(jìn)行頻率響應(yīng)分析結(jié)果見圖5。

由圖5看出，在182～250 Hz，260～310 Hz頻段內(nèi)衰減較大，平均達(dá)10 dB，部分頻段衰減更高，聲子晶體帶隙衰減特性明顯，雖附加約2.9 kg質(zhì)量，但仍起到較好效果。

1.2 多振子聲子晶體梁減振特性分析

多振子聲子晶體梁較單振子聲子晶體梁帶隙特征［4］更豐富，在低頻段可獲得較寬的帶隙，通過選取適當(dāng)參數(shù)，可獲得更好的減振降噪特性。雙振子聲子晶體梁將兩振子緊密排布，并在梁上做周期性布置，為多振子梁的基本形式。研究其減振特性有利于探究多振子梁的減振特性。以雙振子聲子晶體梁為例研究其在燃料電池汽車副車架的減振特性。

材料仍選擇銅與橡膠，雙振子梁結(jié)構(gòu)見圖6，振子結(jié)構(gòu)參數(shù)與單振子結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。

圖6 多振子聲子晶體梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The multi oscillator phononiccrystals beam structure diagram

圖7 添加聲子晶體前后傳遞特性對比圖Fig.7 The transfer characteristic before and after adding the phononic crystal

在Nastran中進(jìn)行頻響分析，結(jié)果見圖7。由圖7看出，多振子聲子晶體結(jié)構(gòu)與單振子聲子晶體結(jié)構(gòu)相比，在絕大部分頻率處傳遞特性差別不大，但部分頻段衰減更高。多振子梁在82～106 Hz頻段衰減較大，多出一條帶隙，說明在低頻段多振子聲子晶體減振特性更豐富。

燃料電池轎車的空氣輔助系統(tǒng)常用工況為3 000 r/min，基頻為50 Hz，在基頻的倍頻處出現(xiàn)較大峰值，而仿真的多振子聲子晶體梁模型在100 Hz、200 Hz、300 Hz、350 Hz處出現(xiàn)較大衰減峰值，平均達(dá)25 dB，極大衰減了峰值頻率處的振動。

由以上分析可認(rèn)為:

(1)聲子晶體梁在0～400 Hz范圍內(nèi)對副車架振動有較好的衰減作用，平均達(dá)10 dB以上，部分頻段更高;

(2)多振子聲子晶體梁與單振子相比，部分頻率衰減較大，表現(xiàn)出其對振動的良好衰減特性。

(3)多振子聲子晶體梁因其豐富的帶隙特征，能較好衰減燃料電池空氣輔助系統(tǒng)在倍頻處的振動峰值。

2 副車架減振影響因素分析

文獻(xiàn)［4］表明，聲子晶體的基體密度減小，振子質(zhì)量塊密度增大，晶格常數(shù)減小及合適的包覆層彈性模量能使聲子晶體梁在低頻段具有良好的帶隙特征及較寬的帶隙頻段。故在振子材料、形式一定情況下，探究振子布置、縱梁布置及副車架厚度對聲子晶體梁減振特性影響。

2.1 振子排列結(jié)構(gòu)對減振特性影響規(guī)律

聲子晶體的低頻局域共振帶隙是基體中長波行波與局域振子共振模式之間的相互耦合作用所致［12］。而有限周期結(jié)構(gòu)相互耦合作用有限，為使效果最佳，須使整個聲子晶體系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)平衡。

圖8為附加單振子聲子晶體梁結(jié)構(gòu)的副車架在起始頻率186 Hz時的振型圖，從左向右將振子依次編號為1，2，3，…，14，則聲子晶體振子結(jié)構(gòu)中心振幅最大，依次向兩邊遞減。為使整個聲子晶體系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)平衡，去掉1，2號振子。

圖8 單振子聲子晶體梁186 Hz振型圖Fig.8 The 186 Hz modes of singleoscillator phononic crystals beams

分析的傳遞特性結(jié)果見圖9。由圖9看出，去掉1、2號振子后的傳遞特性與去掉前相比，傳遞特性在186 Hz、250 Hz左右的峰值頻率降低了約20 dB，且在其它頻率處也略有降低，衰減特性較好。

圖10為去掉1、2號振子的聲子晶體梁在186 Hz的振型圖。對比圖10與圖8看出，去掉1、2號振子后的整個聲子晶體系統(tǒng)壓縮與拉伸部分更均勻，動態(tài)平衡性更好。

圖9 去掉1、2號振子與原始單振子聲子晶體梁傳遞特性對比Fig.9 The transfer characteristics of the origin single-oscillatorphononic crystals beams and phononic crystals beams without.1，2 oscillators

圖10 去掉1、2號振子聲子晶體梁186 Hz振型圖Fig.10 The 186 Hz modes of phononic Crystalsbeams without two oscillators

在實際設(shè)計應(yīng)用聲子晶體的具體結(jié)構(gòu)中，不僅需考慮材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)影響及周期性結(jié)構(gòu)數(shù)量影響，且應(yīng)據(jù)共振振型考慮整個聲子晶體系統(tǒng)動態(tài)平衡性，以保證聲子晶體傳遞特性減振效果達(dá)到最好，在振子數(shù)量差別不大情況下，并非周期性結(jié)構(gòu)越多效果越好。

2.2 縱梁布置對減振特性分析

研究副車架中縱梁的布置對副車架減振特性影響。對縱梁編號見圖11。

去掉1、2、3號縱梁，其它保持不變。探究結(jié)構(gòu)對副車架減振特性影響，結(jié)果見圖12。

圖11 副車架縱梁編號Fig.11 The number of subframerails

總之，副車架中縱梁結(jié)構(gòu)對傳遞特性影響較小，但在某些頻率(250 Hz，350 Hz)處也會引起峰值頻率的偏移，此因車架本身結(jié)構(gòu)改變引起模態(tài)頻率改變，而又在傳遞過程中被激發(fā)的結(jié)果。

圖12 去掉梁與原始傳遞特性對比Fig.12 Contrast of the original transfer characteristic and that without beam

由圖12看出，去掉離所加激勵最近的1號縱梁較2號、3號梁與原始傳遞特性相比，峰值頻率偏移更大，而去掉3號梁對模型傳遞特性，影響微乎其微，故離激勵較遠(yuǎn)的縱梁對副車架傳遞特性影響較小。

2.3 副車架厚度對減振特性影響

原始副車架模型中殼單元厚度改為2 mm，其它不變，對傳遞特性影響結(jié)果見圖13。

圖13 副車架厚度對減振特性影響Fig.13 The influence of the subframe thickness on the vibration reducing characteristic

由圖13看出，隨副車架厚度的減小，在100 Hz處，衰減范圍衰減幅度均增大，由82～106 Hz到82～112 Hz，再到82～116 Hz，衰減范圍由平均15 dB到20 dB，再到25 dB。而在186～300 Hz處，兩種減小的厚度均表現(xiàn)出相同規(guī)律，衰減幅值相對原始均增大5 dB以上。但衰減區(qū)域有所變化，此因為改變副車架厚度，亦改變了自身的結(jié)構(gòu)模態(tài)及傳遞特性，造成峰值頻率的偏移。

3 結(jié)論

本文通過研究聲子晶體梁在燃料電池轎車副車架減振特性，分析單振子、多振子聲子晶體梁、振子排列結(jié)構(gòu)、副車架縱梁布置、副車架厚度對副車架對副車架傳遞特性影響規(guī)律，結(jié)論如下:

(1)聲子晶體梁在用于燃料電池轎車副車架中，在一定程度上可起到減振作用，平均衰減達(dá)10 dB，部分頻率更高;多振子聲子晶體梁與單振子聲子晶體梁相比，低頻范圍內(nèi)帶隙特征更豐富。

(2)在設(shè)計應(yīng)用聲子晶體的結(jié)構(gòu)中，不僅需考慮材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)影響及周期性結(jié)構(gòu)數(shù)量影響，而且需據(jù)共振振型考慮整個聲子晶體系統(tǒng)動態(tài)平衡性，以保證聲子晶體效果達(dá)到最好。

(3)隨副車架厚度的減小，衰減范圍及衰減幅度均增大，表明聲子晶體在質(zhì)量小的零部件上更易發(fā)揮帶隙衰減特性。隨汽車的輕量化及剛度大密度小的新材料發(fā)展，必會使燃料電池轎車副車架質(zhì)量下降，可為聲子晶體用于汽車的前景更寬廣。

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