車門實際關閉工況的密封條隔聲性能仿真

高云凱,楊肇通,馮海星,王士輝,邱娜

(同濟大學汽車學院,201804,上海)

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車門實際關閉工況的密封條隔聲性能仿真

高云凱,楊肇通,馮海星,王士輝,邱娜

(同濟大學汽車學院,201804,上海)

針對車門密封條隔聲的研究主要集中于二維截面單一工況的垂向壓縮,很少考慮車門關閉過程中所受切向力影響的問題,以某挖掘機車門系統的實際關閉工況為邊界條件開展了研究,同時提出彎曲段與直線段密封條的三維模型,并由此獲取了密封條在不同壓縮率下的變形特性,包括車門閉合時密封條同時產生的垂向壓縮與切向滑移特性,部分位置出現的扭曲特性,以及完全壓縮狀態下的密封條內表面接觸隔斷出新的聲腔等。基于密封條三維模型的預應力模態、利用模態疊加法計算了混響室-消聲室下的密封條的隔聲量,結果表明:隨密封條壓縮率的增加,隔聲性能提升但增速逐漸減緩;隔聲性能因新聲腔的形成而顯著提升;車門與密封條之間的細小縫隙會大幅削弱密封條的隔聲性能。該結果對車門密封間隙的設計以及密封條的截面形狀、壓縮負荷研究具有指導意義。

模態疊加法;隔聲量;壓縮率;密封間隙

在機械領域,密封條被廣泛應用于多種子系統間的連接以填充縫隙、均布壓力以及增加接觸,車門密封條不僅防水、防塵,還在隔聲與隔振方面起到了重要的作用[1-3]。正確安裝合適的密封條可以明顯降低駕駛室的噪聲[4]。

密封條隔聲的仿真一直是密封條性能研究的重點之一,如Andro等以密封條的二維截面作為對象的研究表明,基于壓縮后的密封條隔聲性能仿真與試驗結果吻合良好[1];Kim等同樣以密封條的二維模型為對象,揭示了轎車在行駛過程中內外壓力差對隔聲性能的影響[2];高云凱等通過對密封條某段直線段的仿真,研究了壓縮率對隔聲性能的影響[3]。這些大多采用密封條的二維截面作為研究對象,采用三維模型的僅研究了直線段密封條法向壓縮。實際車門開閉工況的研究表明:不同位置密封條的壓縮狀態往往有較大的差異[5-6],主要原因有:車門-門框系統的間隙并非是一個平面;車門關閉過程中沿鉸鏈的轉動使得靠近鉸鏈位置的密封條先被壓縮,從而影響遠端密封條的壓縮狀態;車門轉角位置的密封條在關門過程中存在扭曲的現象。

文獻[7-9]通過實車試驗表明:遠離車門鉸鏈且位于車門鎖機構上端區域的密封條隔聲性能相對較差,以轉角位置的聲貢獻最大,垂向方向的次之,水平方向的相對較小[7]。由模型與樣機的觀察顯示,頂蓋橫梁A/B柱與頂蓋縱梁的接頭位置存在縫隙,見圖1,這些縫隙會削弱密封條本應具有的隔聲性能。

本文以某中型挖掘機駕駛室的車門密封條為對象,利用密封條與車門-門框系統的三維模型,分析了車門-門框系統邊角部位的變形特征、隔聲特性以及接頭位置縫隙對密封條隔聲的影響,同時與二維模型仿真結果進行了可信度對比。

圖1 挖掘機整體結構示意與研究對象位置

1 模型推導與理論依據

1.1 多層板隔聲性能的理論分析

由于密封條的截面形狀復雜,基于實際外形的理論分析比較困難,所以需對模型進行簡化[10]。相關研究顯示:聲波在密封條內部的傳播可以忽略,密封條隔聲性能與聲波的入射角度無關[11]。據此,可采用薄板模型作為密封條隔聲的簡化模型,并且忽略密封條的厚度影響。對于單層薄板,設入射聲波、反射聲波的聲壓值分別為P1i、P2r,投射聲波為P2t,且從入射到反射的方向為正方向,則單位面積薄板的運動學方程以及質點速度連續方程分別為[12]

(1)

(2)

式中:M為單位面積密封條的質量;v為薄板的運動速度;R=ρoco為空氣的阻抗。根據上式,薄板兩側的聲壓比為

(3)

式中:w=2πf為入射聲(波)的角頻率。又因傳遞損失LT=10lg(1/tp),故單層薄板隔聲量

(4)

類似地,可以推出雙層薄板隔聲量

且|P1/P3|滿足

(5)

式中:M1、M2分別是第一塊板和第二塊板的單位面積質量;D為兩板的間距;k=w/co為波數。

同理,對于三層薄板隔聲量計算式中的|P1/P4|滿足

(6)

式中:M1、M2、M3分別是第一、第二、第三塊板的單位面積質量;D1、D2為三板兩兩間距。

1.2 隔聲量計算及預應力的影響

在聲場的作用下,密封條會產生振動,從而改變聲波的傳遞特性。隔聲量的計算核心是求解密封條在聲場作用下的頻率響應,本文采用模態疊加法/模態頻率響應法計算聲學有限元模型。模態法的優勢在于把動力學方程轉換至模態空間進行求解,這樣可縮減問題規模,提高運算效率。

系統受到外載荷f激勵的運動方程為

(7)

式中:δ(t)為節點位移; [M]、 [C]、[K]分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣與剛度矩陣。節點位移與模態坐標存在如下對應關系

(8)

式中:{ξ(f)}為轉化后的模態坐標;[φ]為模態向量矩陣。利用振型的正交特性,用廣義質量矩陣、廣義阻尼矩陣和廣義剛度矩陣表達運動方程,將式(8)代入式(7)進行簡化并解耦,可得

(9)

式中:[φ]T[M][φ]、[φ]T[C][φ]、[φ]T[K][φ]分別為模態廣義質量矩陣、廣義阻尼矩陣和廣義剛度矩陣;[φ]T{P(f)}為模態的力向量。由于3個模態廣義矩陣均為對角陣,沒有耦合運動方程中的非對角元素,所以可將其轉化為一系列的非耦合單自由度系統,即

-f2miξi(f)+jfciξi(f)+kiξi(f)=pi(f)

(10)

式中:mi、ci、ki分別為第i階模態質量、模態阻尼、模態剛度;pi為第i階模態力。兼顧計算的時間和準確性,選取分析頻率范圍的2～3倍為模態計算的截止頻率[3]。

當外界載荷{P(f)}=0時,式(7)的特征方程為

(11)

此時的[φ]可以表示系統的特征向量。求解式(11)可以得到系統的固有頻率/特征值以及對應的振型/特征向量。應力作用下密封條動態特性與無應力作用有所不同,故式(11)可轉化為

(12)

式中:[KD]為載荷引起的剛度矩陣。系統在預應力的作用下,固有頻率會產生顯著的變化,系統響應也會受到預應力的影響,亦即密封條的隔聲特性會受到壓縮狀態的影響。

2 密封條受壓預應力與模態仿真

2.1 研究對象、材料模型與邊界條件

大量研究表明,以整個車門為對象,不同位置密封條受壓后狀態不同[5-6,13-14]。車門在閉合時,密封條的邊角存在比較嚴重的扭曲及較強的應力[5-6],其中以遠離車門軸且位于車門鎖機構上端區域的密封條的隔聲性能較差[7],即轉角位置的聲貢獻最大,垂直方向的次之,水平方向的相對較小。

取車門軸遠端門鎖上部接頭位置的密封條為對象,見圖2,并將此處的密封條等分為每段長約240 mm的3段,其中:第一段主要包括車門軸遠端上接頭的彎曲段,涵蓋了接頭處縱向與橫向的2個連接縫隙,下文稱1段;第二段密封條位于接頭位置的下方,下文稱2段;第三段密封條是靠近接頭位置的平直段,下文稱3段。

1段 2段 3段圖2 密封條研究對象

密封條由三元乙丙橡膠制造(EPDM),一般可以分為海綿橡膠及密實橡膠兩部分。本文的研究對象是一種單道密封條,該密封條完全由海綿橡膠制成。海綿橡膠具有開放或封閉邊緣且與固體結構或板結構互聯,是一種各向同性的非線性材料,在壓縮過程中能承受較大的彈性變形,應變可達90%以上。這里選取ABAQUS軟件中的發泡材料(Odgen模型)作為密封條材料的本構模型。

海綿橡膠的應力-應變數據參數[4]如表1所示。

表1 橡膠單軸拉伸應力-應變數據

車門-門框系統通過鉸鏈連接,開門角度為10°。邊界條件按照真實的車門開閉設置:鉸鏈的軸線與Z軸平行,見圖3;密封條的邊緣突觸粘接于車門內板,即車門內板約束了接觸位置所有的平動和轉動自由度;壓縮過程中門框通過繞鉸鏈反向轉動來壓縮密封條。

圖3 挖掘機車門運動邊界條件

2.2 壓縮過程與預應力模態的分析

由于仿真基于車門的實際運動,所以壓縮量的控制選用車門鉸鏈的轉動角度作為變量。定義5項工況Ⅰ～Ⅴ(見表2),其中Ⅰ～Ⅲ的壓縮率分別為10%、20%、30%,Ⅳ為實際關門工況,Ⅴ為密封條充分壓縮工況。壓縮率

(13)

式中:L0、Lf分別為密封條初始狀態與壓縮后狀態

的高度。壓縮率與車門鉸鏈的轉動角度的關系如表2所示。實際關門位置的壓縮量視密封條位置的不同而略有差異,其中1段的壓縮率為42%,2段的壓縮率為38%,3段的壓縮率為39%。

不同壓縮率下密封條變形后的形狀與應力分布見圖4、圖5。觀察密封條最大位移(見圖6)與最大應力(見圖7)統計圖知,密封條的最大應力隨著密封條壓縮率的增加而增大,且增量逐漸縮小。在實際壓縮過程中,密封條本身彎折的位置首先向內表面下方靠近,接著內部的上下表面才逐漸接近。這是密封條一方面沿接觸面法向被壓縮,另一方面又沿著接觸面橫向滑動所導致。另外,部分位置密封條其內部空腔并非呈現出均勻壓縮的特征,即端面接觸、中部彎折區域仍保持聯通,見圖8。此現象充分證明了基于三維模型與車門實際開閉工況模擬密封條受壓情況的重要性及其參考價值。

(a)Ⅰ (b)Ⅱ (c)Ⅲ (d)Ⅳ (e)Ⅴ圖4 1段密封條的壓縮狀態與應力云圖

(a)Ⅰ (b)Ⅱ (c)Ⅲ (d)Ⅳ (e)Ⅴ 圖5 2段密封條的壓縮狀態與應力云圖

圖6 密封條受壓最大位移

圖7 密封條受壓最大應力

(a)端面 (b)中部彎折區域圖8 1段在安全壓縮狀態下的受壓情況

利用Lanczos方法計算上述各工況0～4 000 Hz的密封條約束模態,并作為后續模態法計算隔聲量的輸入。各工況的一階模態頻率如表3所示。可以發現:密封條一階模態在局部壓縮狀態下頻率較高且逐漸增加,隨著密封條的充分壓縮,該模態頻率有所降低;密封條在壓實狀態下的模態頻率進一步升高。這不僅符合各階頻率均隨著預壓應力區域的增大而減小的結論[15],也符合頻率隨著預應力的增大而增大的規律。

表3 各工況預應力模態一階頻率

3 密封條隔聲性能分析

密封條在壓實狀態由于內表面出現了接觸而分隔出新的聲腔,一般實驗與仿真將其忽視。因此,選取2段密封條分別對Ⅳ(正常壓縮)和Ⅴ(壓實)的狀態進行計算對比。由于這2個工況密封條的受壓形狀相似,幾何尺寸變化小,所以易于在單一變量下對比隔聲量的變化。2段Ⅳ下的隔聲系統可認為由相距10.19 mm的兩層板組成,2段Ⅴ可認為隔聲系統由相距3.04 mm、9.02 mm的三層板構成,見圖9。

圖9 三層板隔聲理論模型

將已知的幾何及物理參數分別代入雙層板隔聲公式(5)以及三層板隔聲公式(6)中進行計算,得到雙層板及三層板的隔聲量均方根值(20～2 000 Hz)分別為98.03 dB與223.4 dB,三層板系統的隔聲量比雙層板系統高1.2倍。經理論分析知:三層板隔聲系統相比雙層板隔聲系統的隔聲量顯著提升。

3.1 密封條隔聲仿真計算

根據參考標準SAE J1400汽車材料與配件隔聲性能的實驗室測量方法[16],通過混響室-消聲室法來評價密封條的隔聲性能,見圖10。根據混響室-消聲室法、利用LMS Virtual Lab軟件建立密封條的隔聲仿真模型,同時定義車門外側的聲腔為混響室,車門內側的聲腔為消聲室,并將各部分聲腔與對應密封條表面進行耦合。通過入射到密封條表面的聲功率與透過密封條的聲功率來計算密封條的傳遞損失

(14)

式中:Wi是混響聲場入射到密封條上的聲功率;Wo為透射過密封條的聲功率。

以密封條隔聲仿真模型為基礎,根據1.4節計算的預應力模態分析結果,基于模態疊加法計算了預應力狀態下密封條的隔聲量(20～2 000Hz)。密封條的內部聲腔是值得關注的對象,壓縮狀態下內表面出現接觸的位置實際起到了隔斷聲腔的作用,在建模過程中需要進行如圖11所示的處理。

圖10 混響室-消聲室法示意 圖11 1段密封條內部聲腔局部示意

3.2 壓縮率對隔聲性能的影響

利用Virtual Lab軟件、基于模態疊加法計算了各工況在20～2 000 Hz頻率范圍內的密封條隔聲量。壓縮率對隔聲性能的影響見圖12。可以看出:密封條的隔聲量隨著壓縮率的增加而增大,壓縮率超過20%后隔聲性能的增長減慢。在車門正常關閉的狀態下,密封條內部聲腔仍然聯通,進一步壓縮后密封條的內表面出現接觸。密封條處于完全壓縮狀態下時,由于內聲腔密封條被壓縮而分割成2個部分,密封條的隔聲性能的增長率明顯增加。與理論分析的結果相比,內表面接觸后密封條隔聲性能同樣顯著提升,但是提升幅度明顯小于理論分析值。這是2個因素所導致的:密封條內表面接觸僅部分影響了密封條截面,新分隔出的聲腔截面對應的密封條界面總高度有限;實際壓縮過程中內表面的接觸并未使密封條的上、下表面完全融合,其隔聲性能不如理論分析中的完整板件。

圖12 壓縮率對隔聲性能的影響

通過研究可以發現:在大變形狀態下,密封條內部聲腔如果被分隔成兩部分,則其隔聲性能將會顯著提高。因此,改變密封條內部結構、增加內表面接觸的可能性或增加密封條壓縮量,均可提高密封條的隔聲性能。

3.3 接頭縫隙對隔聲性能的影響

如圖13所示,由于接頭位置存在縫隙,所以密封條在此處呈現出與平整位置不同的壓縮狀態。盡管橡膠具有一定的彈性,但是由于縫隙較深使得實際壓縮狀態下此處必然存在噪聲泄漏的情況。根據密封條壓縮后的狀態,以實際的門框模型作為邊界條件,可以獲得縫隙位置的聲腔模型,見圖14。

以實車的焊縫為依據,對縫隙進行處理,使縫隙的尺寸逐漸縮小,其徑向尺寸φ分別為7.6 mm、6.3 mm、3.6 mm、1.6 mm、1.2 mm,見圖15。存在縫隙時密封條的隔聲性能測量結果見圖16,其中φ=7.6 mm為實際縫隙。

(a)φ=7.6 mm (b)φ=6.3 mm (c)φ=3.6 mm

(d)φ=1.6 mm (e)φ=1.2 mm圖15 經焊縫處理后的縫隙尺寸示意

由圖16可以看出,接頭縫隙的泄漏噪聲嚴重削弱了密封條彎曲段的隔聲量。縫隙的泄漏噪聲使得對應段密封條的隔聲量損失超過90%;縫隙減小,泄漏噪聲略微減小;縫隙極小(φ=1.2 mm、體積8.8 mm3)時,泄漏噪聲使得對應段密封條隔聲量損失達90%以上;完全封堵接頭縫隙能有效提高密封條隔聲量。

圖16 接頭縫隙對應的隔聲量

4 結 論

依據密封條的非線性壓縮仿真確定了密封條在實際工況下的變形與預應力模態,基于模態疊加法與混響室-消聲室法求解出密封條在不同壓縮量下的隔聲性能。研究結果表明:隨著密封條壓縮量的增加,密封條的隔聲量逐漸增加,但是增量逐漸減小;在密封條內表面發生自接觸,內聲腔被分割成兩部分時,密封條的隔聲量顯著增加;縫隙減小,密封條隔聲量略有增加,但是微小的縫隙也會產生嚴重的泄漏噪聲。研究同時發現:通過改變密封條內部結構來增加內表面接觸或進一步增加密封條壓縮量,可以顯著提高密封條的隔聲性能;保證接觸面平整并封堵結構件的縫隙,能有效保證密封條的隔聲性能。本文的結論適用于各類重型機械的隔聲、降噪。

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(編輯 苗凌)

Sound Insulation Property Simulation of Door Weatherstrip Considering Practice Working Condition

GAO Yunkai,YANG Zhaotong,FENG Haixing,WANG Shihui,QIU Na

(Automobile College, Tongji University, Shanghai 201804, China)

The existing work on door weatherstrip sound insulation performance mainly focuses on the vertical compression of its two-dimensional cross-section with a single compression ratio, but tangential force is seldom taken into consideration in the door closing process. For the door system of an excavator cabin, three-dimensional models of curved and straight weatherstrip sections are established and their distortion characteristics are acquired with different compression ratio. The characteristics include both compression and sliding states, and distortion at some parts of the weatherstrip. A new acoustic cavity is generated since the internal surface is self-interacted under full compression. By acquiring prestressing modal of the three-dimensional weatherstrip model, mode superposition is carried out to gain the sound insulation value in reverberation and anechoic chamber. The results indicate that the sound insulation value of weatherstrip increases at a decreased rate as the compression ratio increases, a small leakage causes serious leaking noise. Furthermore, the sound insulation increases obviously due to the generation of a new acoustic cavity. These results can be used to guide designing door sealing clearance and investigating cross-section shape of weatherstrip and compression load.

modal superposition method; sound insulation value; compression value; sealing clearance

2015-01-19。

高云凱(1963—),男,教授,博士生導師。

國家重點基礎研究發展規劃資助項目(2011CB711203);上海汽車工業科技發展基金會資助項目(SAISTDF/12-07)。

時間:2015-08-13

10.7652/xjtuxb201511023

U463.83

A

0253-987X(2015)11-0142-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150813.1018.014.html