乘用車NVH特性的車身地板優化設計

摘要：本文通過對某乘用車在高速下車身地板中后部振動較大，以及導致車廂內部性能變差的原因分析，利用有限元軟件建立了乘用車身板地的模型，并通過試驗分析和有限元模態分析，并根據結果進行地板橫梁結構布置優化，最終對優化結果進行驗證。通過驗證結果表明，經過優化之后的車身地板振動有大幅度的減弱，表明了這種優化方案具備一定的有效性。

關鍵詞：乘用車;NVH;車身;地板;優化設計

中圖分類號：U472 文獻標示碼：A

0引言

近年來，隨著人們生活質量的提高和汽車的不斷普及，人們對于車輛NVH性能等要求也越來越大。乘用車的NVH性能影響乘客的乘車舒適感，也逐漸成為衡量一輛汽車品質好壞的硬性指標，是汽車廠家提升市場競爭力的主要途徑，因此被各大主機廠高度重視。

本文針對在乘用車進行主觀比較時，發現在處于高速行駛狀態下，乘用車的地板會存在振動過大的情況，可能會導致乘客產生一定的不適感。同時，地板的振動還會傳遞給成員，進而會影響車輛的性能，如何能夠有效避免這種地方振動，并提高乘用車的性能這是當前急需解決的問題。

乘用車在提升NVH性能過程中，工作人員在進行主觀評價時發現，乘用車在處于120 km/h的車速行駛時，車身地板存在較大幅度的振動，進而影響到乘用車的分類，針對性能這一問題，我們先對乘用車產生的異常振動現象進行道路測試，采集車身地板的振動加速度，同時利用數據分析構建乘用車車身的有限元模型，采用階次分析法和模態分析這兩種方法，最終發現，引起車身和車架振動是由于傳動軸和發動機的激勵頻率與車身地板的模態頻率將接近，進而導致產生共振，導致乘用車的NVH性能降低。

為了能夠縮短開發周期和生產成本，我們主要從車身地板的橫梁結構的優化展開分析，改變模態分布使得地板的模態更為合理，從而能夠解除共振的現象。根據前面驗證的車身地板的有限元模型，通過OptiStruct對地板模態的各個橫梁進行靈敏度分析，再提出相關的幾個優化方案。除此之外，車身減振降噪，首先要改善車身的密封性能，其次合理設計車身結構，最后還需要合理布隔音阻尼材料，本文通過軟件分析還對車身地板的阻尼材料進行合理布置，并驗證了優化方案的有效性。

1車身地板的仿真分析

利用軟件建立了地板的模型圖，并參考了車身地板各個組件的材料和厚度，同時設定各個鈑金組件之間的焊接方式，約束模型的四周，并模擬地板固定在車身上的狀態，對地板進行單位激勵，模擬輪胎以及發動機所產生的激勵。

采用有限元建立模型對乘用車展開有限元建模，考慮到車身點焊連接作用，我們采用weld模擬，利用Beam進行螺栓連接，利用Adhere模擬粘接連接。通過模態分析與地板后部振動發現，它的頻率處于60 Hz的模態時存在2個關鍵的模態，分別是41和53階。

其次我們對車身的地板進行測試，由于乘用車一般振動是整車狀態下的，因此我們需要測試整車狀態下地板的模態，通過數據獲得實車狀態下地板的各階建模，我們可以將測試的結果與車身地板的計算模態結果進行比較。通過數據分析，我們可以看出2種分布模態的頻率仿真計算是與實驗值誤差低于3%的，并且其仿真振型和試驗振型結果一致，其他的模態分析也吻合。因此可以利用這種現有模型對乘用車車身地板結構進行仿真優化，我們利用地板試驗測試和建立了有限元模態仿真，從2種結果上來看乘用車車身體板后部存在兩個結構模態，其頻率為60 Hz處存在兩局部模態，是與發動機的二階工作激勵頻率和傳動軸的1.28階激勵頻率范圍內的，在乘用車的發動機完成優化設計之后，會與地板發生共振現象，進而導致車身地板出現嚴重的振動。從噪聲分析結果來看，在無阻尼的狀態下，在60 Hz的頻率范圍內，前排駕駛員右耳位置的聲壓值最高，是58dB（A），而后排乘客的右耳位置的聲壓值最大為58.2dB（A）。

2車身地板的優化設計

要想從根本上解決車身地板后部產生的共振，需要將地板后部的局部模態頻率進行移除，并且使其盡量避開發動機和傳動軸的激勵頻率。為了能夠實現地板結構優化工作，我們先對地板模態進行靈敏度分析，從而確定優化設計方向。首先，在對地板模態進行分析過程中，我們需要對模型四周進行約束，模擬地板固定在車身上的狀態，對地板要施加單位激勵，模擬發動機以及輪胎可能產生的激勵。

結果發現，對該車型的車身地板無阻尼材料布置時，振動情況比較明顯。因此在優化時，可以根據鈑金振動的具體位置，合理采用阻尼材料，進而減小車身地板的振動速度，減少噪音的傳遞。

根據VA ONE軟件分析對地板的結構進行優化，同時對現有的阻尼材料產品信息進行分析，確定了當前所使用的阻尼材料的阻尼因子以及彈性模量，泊松比等因素，經過分析我們獲得了地板振動速度分布以及噪聲的分布情況，并于原始的數據進行對比。

從振動對比數據來看，增加阻尼材料之后，與原始的振動狀態進行比較發現地板振動明顯減少，說明給車身地板增加阻尼材料之后，鈑金部件的振動速度會明顯降低，這種優化方案是可以達到減振的目的。

從噪聲比較來看，在頻率為30～200 Hz的范圍內，前排的駕駛員右耳處的聲壓值最大可以是48 dB（A），而后排的乘客右耳聲壓值最大是49.8 dB（A），相比原始的數據來看，增加阻尼材料后，前后排的乘客右耳的聲壓值均降低了10 dB（A），因此從優化方案的數據分析對于減少噪聲也起到了積極作用。

3整車試驗驗證

我們針對車身地板振動情況進行整車試驗，在車身地板粘貼多個加速度傳感器。當乘用車的車速分別為100 km/h、110 km/h、120 km/h時，經過優化之后的地板在60 Hz的頻率范圍內所獲得的峰值有一定程度的減弱，基本可以消除共振的現象，而且將所有采集到的信號進行比對之后，周邊的加速度采集信號振動頻率也會得到一定程度的降低。最后我們對地板的后座椅附近同一點處的振動情況進行比對，發現經過優化之后的地板的振動峰值有所減弱，說明這種優化方案對于改善地板共振是十分有效的。

4結束語

本文通過對乘用車地板共振展開分析，并通過試驗測試地板的2個局部模態發現，在頻率為60 Hz處，是位于發動機和傳動軸的激勵頻率范圍內，進而引起了地板的共振現象。為了能夠解決這一問題，通過實車道路測試以及模型的模態分析找到共振的主因，然后用模態靈敏度分析制作優化成較為合理的優化方案。通過實驗結果表明，這種結構優化方案是十分有效的，能夠為其他工程問題提供實踐參考。

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