基于有限元法的車身振動與噪聲特性研究

蔣冬清，李三雁

（四川大學錦城學院，四川　成都　611731）

基于有限元法的車身振動與噪聲特性研究

蔣冬清，李三雁

（四川大學錦城學院，四川成都611731）

針對某客車車型，介紹車身結構振動與噪聲特性研究的有限元法，即模態分析和頻率響應分析方法的具體實施過程。采用MSC-Nastran 2010軟件，選用殼單元類型，按前后各一個吊耳的實際結構定義邊界條件。模態分析的結果提示車身結構前10階固有頻率應避開發動機經常工作的頻率，并可以判斷有無局部模態產生及其發生的位置，確定位置后應予以剛度優化，以避免影響其車身NVH特性。通過有限元法的頻率響應分析可獲得在任何一個穩態激勵下車身結構任意一點的位移、速度、加速度響應，判斷是否存在局部共振現象，能夠較早地預測結構動態設計不足的問題，以改善車身結構NVH特性。

振動與噪聲；有限元法；模態分析；頻率響應

0　引言

NVH（noise，vibration，harshness）是指噪聲、振動與聲振粗糙度，這是衡量汽車制造質量的一個綜合性指標，它能帶給汽車用戶最直接的感受［1］。噪聲與振動是汽車NVH特性的兩個重要元素。由于噪聲和振動在汽車等機械中同時出現且密不可分，因此常把它們放在一起進行分析研究［2-3］。

已有文獻表明噪聲除了由噪聲源直接產生外，另一個主要來源是車身結構振動源，結構傳播噪聲是由于車身壁板在發動機或路面激勵下的振動產生、進而向車內輻射的噪聲，一般為200 Hz以下的低頻，對于結構振動引起的中低頻噪聲可采用有限元法研究。

車身是由許多薄壁結構元件組成的多自由度的彈性系統，在外界激勵作用下將產生各種變形，引起系統振動，車身振動特性與車身剛度密切相關［4-5］。

本文采用MSC-Nastran2010軟件，結合振動模態分析與頻率響應分析方法對某客車車型的車身結構振動與噪聲進行研究探討，通過分析有限元結果，提出對同類型客車改善車身NVH性能的可行性方法。

1　車身結構有限元模型的建立

建立車身結構有限元模型時，為避免問題過于復雜，需要在盡可能如實反映車身結構主要力學特征的前提下，根據車身結構和承載特點對模型進行合理的簡化，如圖1所示。

圖1　 客車車身結構有限元模型

在該有限元模型中，進行了如下簡化［1］：

1）將車身結構合理簡化，略去一些功能件和非承載件，忽略車身蒙皮及玻璃對總體結構的強度和剛度的加強作用，準確獲得承載結構的模態振型；

2）為了提高計算精度采用殼單元建模，如實反映車身結構細微之處。焊接點通過節點耦合和RBE2剛性連接處理；

3）忽略對車身剛度影響不大的孔和倒角。

采用 MSC-Nastran 2010軟件進行有限元分析，單元類型為殼單元，殼模型單元類型及材料如下所示。

全約束主從節點RBE2單元或者用節點重合模擬車身焊接關系。

材料參數選用低碳鋼響應參數，密度7800kg/m3，彈性模量210000MPa，泊松比0.3。

鋼材Q235，彈性極限210MPa，屈服極限235MPa。

鋼材Q345，彈性極限310MPa，屈服極限345MPa。

單元模型的具體信息如表1所示。

表1　殼單元模型的單元信息

該客車采用鋼板彈簧懸架，鋼板彈簧懸架前后各一個吊耳。故車身骨架實際約束如表2所示。

表2　車身骨架整體約束點及其約束自由度

2　模態分析

模態分析是研究結構動力特性的一種近代方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析獲得，這個過程稱為模態分析。

由振動理論可知，無阻尼單自由度系統在初始激勵作用下，將以固有頻率在某一種自然狀態下進行振動。對多自由度系統，它的自然狀態是指整個系統在運動過程中的某一位移形狀。多自由度系統不只有一種位移形狀，而是具有與自由度數目相等數量的位移形狀，這些位移形狀稱為系統的固有振型［4-6］。

2.1車身結構有限元模態求解

由彈性力學有限元法，車身結構的運動微分方程［7-8］為

式中：［M］，［C］，［K］——系統的質量矩陣，阻尼矩陣和剛度矩陣；

｛a¨（t）｝，｛a.（t）｝，｛a（t）｝——系統的加速度列向量、速度列向量和位移列向量；

｛F（t）｝——系統的載荷列向量。

若無外力作用，即系統自由振動，有｛F（t）｝=｛0｝；在求解車身結構自由振動的固有頻率和振型時，阻尼對它們影響不大，因此，阻尼項可以略去，這時無阻尼自由振動［9］的運動方程為

其對應的特征方程為

式中ω為系統的固有頻率。

表3　車身結構前10階固有頻率

對于式（3）廣義特征值問題，模態分析采用蘭索斯（Lanczos）法，這種方法求解準確度高、速度快，特別適用于大型對稱特征值求解問題。

2.2車身結構模態分析結果

車身結構無阻尼系統的一般運動可以表達為各階固有振型的線性組合。低階振動頻率的固有振型對結構的動力影響大于高階振型，也就是說，低階成分的能量比較大，因此，對于一般車身工程結構，低階振型對結構的動態特性起決定作用，在模態分析時只求解低階的振動頻率和振型，通常取前5～10階即可［10］。車身結構前10階固有頻率值如表3所示，其1階彎曲和1階扭轉模態振型如圖2、圖3所示。

通過模態分析可得到以下結論：

圖2　車身結構1階彎曲模態振型/17.03Hz

圖3　車身結構1階扭轉模態振型/11.84Hz

1）車身振動特別是當外界激勵頻率與車身固有頻率相等或成倍數關系時將可能發生共振，此時將嚴重惡化乘員舒適性，形成振動噪聲，并使零部件產生疲勞損傷。通過模態分析，能清楚知道前10階低頻振動是否為整體模態振型，有無局部模態產生及其發生的位置，若產生局部模態將帶來局部振動噪聲，應予以剛度優化，以避免影響其車身NVH特性。

2）通過模態分析的方法，可以將車身各主要分總成，如頂圍、側圍、車架的固有頻率錯開以防止單總成之間共振而產生噪聲。

3）車身1階彎曲和1階扭轉頻率要低于發動機怠速頻率同時高于路面激勵頻率。

4）為防止1階彎曲和1階扭轉模態的耦合效應，一般要求兩種模態頻率至少錯開3Hz以上。

5）車身結構前10階固有頻率應避開發動機經常工作頻率，盡量控制在3～33Hz。

對汽車車身結構進行模態分析是汽車噪聲預測與控制的重要環節，在汽車車身結構設計階段可以應用有限元法進行模態計算，作為計算機預測噪聲的一個基礎。

3　頻率響應分析

頻率響應分析可以實現對結構的動態特性分析，預測結構的持續動力特性，驗證設計是否能夠克服共振、疲勞及其引起的結構破壞。結構的頻率響應分析是用來計算結構在穩態振動激勵下響應的方法，在頻率響應分析中，激勵載荷在頻域中顯式定義，對應于每一個加載頻率外載都是已知的。頻率響應分析的振動載荷本質上為正弦曲線，在簡單情況下，這種載荷通過指定特定頻率下的幅值來定義［11］。

發動機是汽車的主要噪聲和振動源，通過發動機振動底盤傳到車身，并可在車內產生噪音嚴重影響乘坐的舒適性，客車很多噪聲問題往往都可歸結到發動機振動上，因此，客車發動機懸置安裝點的動態特性分析顯得非常重要。通過頻率響應分析方法獲得其振動特性來改善車身NVH特性是十分必要的。

3.1車身結構頻率響應求解

該車所用的發動機轉速范圍：800～2 200 r/min，對應頻率為40～110Hz，常用轉速范圍：800～1400r/min，對應頻率為40～70Hz。激勵點位于發動機前懸置，如圖4所示。激勵源為0～110Hz頻段上的三向單位力。

通常，對系統強迫振動時頻率響應函數的幅值進行研究來對頻率響應予以評價，即系統的幅頻特性。單自由度系統在簡諧激振作用下的運動方程寫成指數形式為

式中：F——激振力幅；

ω——強迫振動圓頻率。

假定解的形式為x=Xejωt，帶入運動方程可得其運動強迫解。

圖4　激勵點位置示意圖

很明顯，強迫振動位移X和激振力F成正比，令比例因子：

H（ω）稱為單自由度振動系統位移輸出對力輸入的頻率響應函數，也稱為位移導納函數，對位移導納函數求導即得速度導納函數，對速度導納函數求導即是加速度導納函數。

3.2車身結構頻率響應分析結果

在基于有限元法頻率響應分析中，有兩種不同的數值方法供選擇：直接法和模態法。直接法根據外載荷頻率求解耦合的運動方程；當使用模態阻尼法或無阻尼時，模態法利用結構的振型縮簡和解耦運動方程，對各個模態響應進行迭加得到特定外載頻率解。這里采用直接法，其特點是適合小模型，少數激勵頻率，高激勵頻率，非模態阻尼和更高的求解準確度，獲得激勵點Z向加速度與外載荷頻率間的變化關系曲線，如圖5所示。

通過頻率響應分析發現在頻率40Hz附近激勵點的加速度達到了峰值狀態，主要是因為激勵頻率值和車身第35階模態頻率值40.195十分接近，造成局部共振。所以，可通過優化激勵點的剛度或者優化新的發動機懸置點，改善動態特性。通過有限元法的頻率響應分析可獲得在任一穩態激勵下車身結構任意一點的位移、速度、加速度響應，判斷是否存在局部共振現象，較早預測結構動態設計不足的問題。通過有限元振動分析來改善車輛動態特性的方法比傳統的先制造后實驗的檢驗方法而言，能夠縮短測試周期，降低實驗成本。

圖5　激勵點Z向加速度與外載荷頻率間的變化關系曲線

4　結束語

車身結構振動及噪聲分析的關鍵是尋找能夠完成車身結構及壁板固有頻率和剛度優化、結構動態特性響應的方法，其理論基礎是結構系統模態和動態響應分析及優化設計方法。基于有限元理論的分析方法，即模態分析和頻率響應分析，為車身結構振動與噪聲特性分析提供有力的應用技術支持，特別是在車輛設計初期，可以有效地提出車身結構改進意見，節約試驗成本。

［1］譚繼錦.汽車有限元法［M］.2版.北京：人民交通出版社，2012：3-20.

［2］黃金陵.汽車車身設計［M］.北京：機械工業出版社，2007：100-132.

［3］羊拯民，高玉華.汽車車身設計［M］.北京：機械工業出版社，2008：85-98.

［4］李真，何鋒，鄒帆，等.基于ABAQUS的客車車身模態分析［J］.汽車零部件，2013（1）：57-59.

［5］陳龑，林建平，胡小舟，等.基于模態分析的某客車車身NVH性能優化［J］.現代制造工程，2013（6）：51-54.

［6］李英平.汽車車身模態分析實例研究 ［J］.汽車技術，2007 （11）：1-4.

［7］張慶軍，王曉彬.基于頻率響應的客車骨架結構優化［J］.汽車工程師，2014（10）：23-25.

［8］李長玉，王麗.運行激勵下結構模態參數測試方法及其實現［J］.電子測量與儀器學報，2016，30（4）：577-582.

［9］萬明磊，戴作強，張洪信，等.基于ANSYS Workbench的某客車車架結構模態分析［J］.客車技術與研究，2015，37（2）：9-11.

［10］SHAO K L，WANG F.Modal and vibration analysis of atratorframebasedon FEM［J］.Applied Mechanics Materials，2013，373-375.

［11］朱茂桃，何志剛，徐凌，等.車身模態分析與振型相關性研究［J］.農業機械學報，2004，35（3）：13-15.

（編輯：李妮）

Finite element method-based study on vehicle vibration and noise characteristics

JIANG Dongqing，LI Sanyan
（Jincheng College of Sichuan University，Chengdu 611731，China）

This paper introduced finite element method to the study on the vehicle structural vibration and noise characteristicsregarding designatedpassengervehicle types，namely，the specific implementation of modal analysis and frequency response analysis.With the aid of MSCNastran 2010 software，shell element is selected as the element type and boundary conditions is defined in reference to the physical structure of two lifting lugs at front and rear in respective. Implied from the modal analysis result，the first ten natural frequencies of vehicle structure shall be differentiated from the normal operating frequency of motor and whether any local mode is formed and it location can be identified.The spotted location shall have its stiffness optimized to eliminate impact on NVH performance of vehicle body.Through finite element method-based frequency response analysis，displacement，velocity and acceleration response of and from any structural point under steady state excitation can be obtained to determine whether there is any local resonance，so as to make an early move to forecast deficiencies in structural dynamic design and improve the vehicle structural NVH performance.

vibration and noise；finite element method；modal analysis；frequency response

A

1674-5124（2016）08-0141-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.029

2016-03-20；

2016-04-27

蔣冬清（1984-），女，廣西桂林市人，講師，碩士，主要從事機械制圖、機械設計、智能機器人等方面的研究。