形貌優化與面板貢獻量在汽車噪聲傳遞函數優化分析中的綜合應用

劉忠偉，付廣，梁靜強，呂俊成

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

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形貌優化與面板貢獻量在汽車噪聲傳遞函數優化分析中的綜合應用

劉忠偉，付廣，梁靜強，呂俊成

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

隨著中國汽車產業的逐漸成熟，消費者越來越關注車輛的振動噪聲性能，汽車的NVH性能開發被推到了臺前。對Trimmed Body的噪聲傳遞函數進行分析，通過面板貢獻量找到對噪聲影響較大的面板，然后利用形貌優化分析截取面板局部模型，得到改進的鈑金形狀結構，最終優化了車身噪聲傳遞函數。

噪聲傳遞函數；面板貢獻量；形貌優化

0　引言

汽車車內噪聲形成原因復雜，可分為車身板件振動結構噪聲、進排氣系統噪聲、輪胎噪聲以及風噪等。以某款車型為例，進行噪聲傳遞函數(NTF)分析時，發現部分接附點峰值不滿足目標值。首先對車身進行局部動剛度分析，排除接附點局部動剛度是造成峰值不滿足要求的因素;其次通過面板貢獻量(PFP)分析判斷出前圍板對噪聲峰值貢獻量較大;再次截取前圍板局部模型通過模態分析和形貌優化等方法對其進行優化分析;最后驗證優化后模型，得到前圍板局部模態提高、NTF部分接附點峰值改善的結論。

1　面板聲壓貢獻量和OptiStruct優化理論

1.1面板聲壓貢獻量理論

噪聲傳遞函數(Noise Transfer Function，NTF)，指施加在某一結構上的單位力在結構內產生的聲壓，它表示其結構與內部空腔的聲學相關特性。汽車結構是由各種不同薄板和邊框構成的。對于低頻結構振動和振型，汽車立柱、橫柱和橫梁等結構均有較大影響；對于車內噪聲，汽車壁板振動的影響較大。

假設振動結構的封閉邊界由K個面板組成，則封閉聲腔內任意一點r處的聲壓p(r)可以認為是由于這K個面板振動而在該處引起的聲壓相互疊加產生的，可表示為：

(1)

式中：pk(r)為由第k個面板振動而在封閉聲腔內點r處引起的聲壓，k=1,…,K。

而對于封閉空腔聲場，由第k個面板振動在某場點處產生的聲壓可以認為是第k個面板單獨振動而其他面板的法向振速為零時的情況，因此可得等效源強列向量：

(2)

式中：Vnsk為振動結構的第k個面板的法向振速列向量。

由式(2)，可以得到由第k個面板振動作為輻射聲源相對應的等效源強列向量：

(3)

利用式(3)，可得到由第k個面板振動在封閉聲腔內點r處引起的聲壓為：

(4)

從式(4)可以看出，在已知第k個面板的法向振速的條件下，利用等效聲傳遞向量，可求解由該面板的振動在場點r產生的聲壓pk(r)。

(5)

式中：α=θ1-θ2為pk(r)與p(r)的相位差，θ1和θ2分別為pk(r)與p(r)的相位。

為了計算方便，由歐拉公式eiφ=cosφ+isinφ，可得cosφ=Re(eiφ)。

則由式(5)，可得：

(6)

式中：Re表示取實部，上標“*”表示復共軛。

顯然，若0≤α≤90°或270°≤α≤360°，則Dk(r)為正；若90°≤α≤270°，則Dk(r)為負。

分別計算振動封閉空腔結構各面板對聲場場點的聲學貢獻度并進行排序，可為結構聲學優化提供指導依據。

1.2OptiStruct優化理論

OptiStruct是一款功能強大的結構優化軟件。優化設計有3個要素，即設計變量、目標函數和約束條件。設計變量是在優化過程中發生改變從而提高性能的一組參數；目標函數要求最優的設計性能，是關于設計變量的函數；約束條件是對設計的限制，是對設計變量和其他性能的要求。

優化數學模型表述為

(7)

其中：X=(x1,x2,…,xn)是設計變量，f(X)是設計目標，g(X)和h(X)是需要進行約束的設計響應，j=1,2，…,m；k=1,2，…,m；i=1,2，…,m。

2　Trimmed Body模型分析

2.1建立TrimmedBody有限元模型

利用HerperMesh分別建立白車身、座椅、轉向系統、儀表板、五門一蓋、副車架和聲腔等有限元模型。依據整車實際連接關系把各個總成搭建為汽車TrimmedBody有限元模型，如圖1所示。

2.2NTF分析

在Nastran中提交計算TrimmedBody模型，利用HerperWork處理得到噪聲傳遞函數結果。處理結果后發現在各激勵的響應中右懸置Y向、右前減震器X向、右前擺臂Z向和排氣第四吊鉤Z向激勵工況下，聲壓均在53Hz附近出現了較明顯的峰值。圖2為右前減震器X向激勵，后排座椅乘客中間位置聲腔響應點(9 000 005)的聲壓曲線圖，在頻率53Hz處聲壓出現明顯峰值。測量點的聲壓級響應曲線的響應頻率是20～200Hz。

2.3面板貢獻量分析

在原TrimmedBody模型的基礎上建立面板貢獻量模型。首先建立若干不同的SET集，使其分別包含對NTF影響較大的幾個車身區域；面板區域劃分及簡寫代號見表1；然后創建PFPANEL卡片，定義面板設置參數和輸出形式;再在Nastran中提交計算模型，利用HyperWorks中NVH分析模塊處理計算結果，得到不同激勵工況下各個面板的聲壓貢獻量信息。其中右前減震器X向激勵下53Hz處后排座椅乘客中間位置聲腔響應點(9 000 005)聲壓響應的面板貢獻量分布見圖3。由圖可知前圍板面板所占比重最大，對此處車身內聲壓的影響較明顯。

表1　面板及簡寫代號

3　形貌優化設計

3.1形貌優化分析

截取白車身前圍板局部模型，約束截面123 456自由度。截取模型如圖4所示，對其進行模態分析。模型第四階模態159.3Hz，前圍板右側區域出現較明顯模態振動。利用OptiStruct形貌優化模塊對前圍板局部模態進行優化，優化區域選取前圍板右側區域。形貌優化設置條件見表2，形貌優化后結果見圖5。

3.2優化參數設計

根據形貌優化結果以及模態振型并從外部空間和加工工藝上考慮，對前圍板右側區域進行加筋或修改筋條處理，如圖6所示。

3.3優化結果驗證

由圖7可知優化后前圍板第4階局部模態由優化前的159.3Hz變為166.8Hz，提高了7.5Hz。根據以上優化設計，重新對TrimmedBody模型進行噪聲傳遞函數計算，處理結果后得到優化后與優化前對比曲線，如圖8所示。可以看出：優化之后的NTF曲線在53Hz處仍有峰值，但該處峰值已減少了2.8dB；另外，右懸置Y向50Hz處下降1.2dB，右前擺臂Z向52Hz處下降3dB，排氣第四吊鉤Z向53Hz處下降1dB。可知此優化結果對降低這幾個激勵的聲壓響應是有效的。

對比圖3和圖9可知：前圍板面板在右前減震器X向激勵下53Hz處后排座椅乘客中間位置聲腔響應點(9 000 005)處的聲壓響應面板貢獻量，由優化前61.67%降低為52.34%，降低了單個面板能量貢獻量，優化了此處的面板貢獻量分布。

圖9車身面板優化后貢獻量分布圖

4　結論

綜合運用噪聲傳遞函數、面板貢獻量、模態分析、形貌優化等方法完成了前圍板結構的優化，在減少工程更改的基礎上，提高了前圍板的局部模態，降低了車身結構和聲腔的耦合程度，優化了車輛的噪聲傳遞函數。在實際分析過程中，車身結構零件繁多，車身和聲腔解耦復雜，只有綜合應用多種方法，多種措施相互結合，才有可能轉化為較理想的工程應用。

【1】何祚鏞．結構振動與聲輻射[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2001．

【2】龐劍，諶剛，何華．汽車噪聲與振動—理論與應用[M]．北京：北京理工大學出版社，2006．

【3】洪清泉，趙康，張攀，等.OptiStruct&HyperStudy理論基礎與工程應用[M].北京：機械工業出版社，2012.

【4】肖悅.基于面板聲學貢獻度的封閉空腔結構內聲場分析的若干關鍵問題研究[D].合肥：合肥工業大學，2014.

Comprehensive Application of Topography Optimization and Panel Contribution inVehicle Noise Transfer Function Optimization Analysis

LIU Zhongwei，FU Guang，LIANG Jingqiang，LV Juncheng

(SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd., Liuzhou Guangxi 545007, China)

With the maturity of China’s automobile industry, consumers pay more attention to the vibration and noise performance of vehicle. The NVH development of the car has been pushed to the front of the stage. Based on the analysis of noise transfer function and panel contribution of Trimmed Body, a panel which had a bigger impact on the noise was found. Then the improved shape of sheet-metal was gotten through the analysis of topography optimization model. Finally, the vehicle noise transfer function was optimized.

Noise transfer function; Panel contribution; Topography optimization

2015-05-14

劉忠偉,男，本科，從事汽車NVH仿真分析研究工作。E-mail:liuzhongwei2009@126.com。