某鋁合金駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)分析

張德偉,劉瑞萍, 徐鑫，張書豪，王東輝，孫巍

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽 111003)

0 引言

駕駛室是商用車設(shè)計(jì)的核心之一，它是車輛振動(dòng)與噪聲的重要傳遞路徑，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了商用車的NVH性能。NVH性能是車輛的一個(gè)性能亮點(diǎn)，駕駛員能夠直接感知。駕駛員長(zhǎng)時(shí)間感受振動(dòng)和處在噪聲環(huán)境下，會(huì)引起頭暈、耳鳴、煩躁以及注意力下降、疲勞等現(xiàn)象，嚴(yán)重的還會(huì)直接造成身體損傷。

目前使用鋁合金是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要途徑，可以有效地降低車輛的整備質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，同時(shí)提高汽車?yán)m(xù)航里程，降低單位質(zhì)量的能耗。還可提升新能源車型的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

在駕駛室設(shè)計(jì)階段，通過分析駕駛室結(jié)構(gòu)和聲腔模態(tài)頻率和振型，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)各個(gè)激勵(lì)源的頻率、各總成頻率、聲腔模態(tài)頻率進(jìn)行解耦，避免駕駛室結(jié)構(gòu)振動(dòng)導(dǎo)致共振，同時(shí)防止板結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)引發(fā)駕駛室內(nèi)的噪聲。

框架結(jié)構(gòu)決定駕駛室的整體結(jié)構(gòu)模態(tài)，板的局部結(jié)構(gòu)容易與駕駛室聲腔共振而產(chǎn)生轟鳴聲。本文作者以某鋁合金駕駛室為研究對(duì)象，通過仿真手段分析結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)，對(duì)鋁合金駕駛室的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 模型建立

駕駛室結(jié)構(gòu)都是鋁合金擠壓型材焊接而成，對(duì)駕駛室各個(gè)部件抽取中面建立網(wǎng)格，通過網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)檢查網(wǎng)格單元質(zhì)量，焊接位置通過共節(jié)點(diǎn)的方式連接在一起。這種方法保證結(jié)構(gòu)有限元模型的完整性和準(zhǔn)確性，提高仿真分析的精度。其結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1(a)所示。

聲腔模態(tài)模型主要依據(jù)聲學(xué)單元的理想尺寸，即大約是每個(gè)波長(zhǎng)6個(gè)單元(單元尺寸為聲波波長(zhǎng)的1/6)，整體上網(wǎng)格大小采用30 mm×30 mm，網(wǎng)格類型以六面體為主，四面體為輔，有利于提高計(jì)算速度和精度。其聲腔有限元模型如圖1(b)所示。

圖1 駕駛室結(jié)構(gòu)和聲腔有限元模型

2 模態(tài)分析理論

2.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析理論

動(dòng)力系統(tǒng)主要由質(zhì)量、阻尼、彈簧阻力及外載荷四部分組成，單自由度系統(tǒng)的動(dòng)力方程為

(1)

結(jié)構(gòu)模態(tài)主要是求解固有頻率和振型，而固有頻率和振型計(jì)算的實(shí)質(zhì)是求解特征值和特征向量的問題，在結(jié)構(gòu)模態(tài)有限元計(jì)算中忽略阻尼的影響，在無阻尼、無外在載荷情況下單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)方程矩陣形式為

(2)

式中：M為質(zhì)量矩陣；K為剛度矩陣。

對(duì)于線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，式(2)的簡(jiǎn)諧函數(shù)形式解為

x(t)=φsin(ωt)

(3)

式中：φ為特征向量；ω為圓頻率。

將式(3)代入式(2)可得方程：

(K-λiM)φi=0

(4)

式(4)的特征方程為

K-λiM=0

(5)

通過方程(5)即可求得特征值λi，即為固有頻率，再通過方程(4)計(jì)算得到特征向量φi，即為振型。

2.2 聲腔模態(tài)分析理論

聲腔模態(tài)和結(jié)構(gòu)模態(tài)的求解類似，同樣也是求解聲腔固有頻率和振型。聲腔模態(tài)的計(jì)算基于經(jīng)典聲學(xué)理論。在無阻尼、無外在載荷情況下流場(chǎng)內(nèi)波動(dòng)方程的有限元矩陣形式為

(6)

式中：Mf為流體等效質(zhì)量矩陣；Kf為流體等效剛度矩陣；p為單元節(jié)點(diǎn)壓力。

方程(6)求解過程與結(jié)構(gòu)模態(tài)的振動(dòng)方程一致，所以通過方程(6)可得聲腔波動(dòng)的特征方程為

Kf-λiMfpi=0

(7)

通過方程(7)即可計(jì)算得到聲腔模態(tài)的頻率和振型。

3 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)模態(tài)是影響NVH性能的基礎(chǔ)，是駕駛室最本質(zhì)的特征。它主要通過模態(tài)分析識(shí)別出主要模態(tài)的頻率、模態(tài)的振型等，可以預(yù)測(cè)外界激勵(lì)下產(chǎn)生的響應(yīng)，為解決駕駛室的振動(dòng)和噪聲提供依據(jù)。某鋁合金駕駛室前6階的振型圖如圖2所示。結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率及振型描述如表1所示。

圖2 結(jié)構(gòu)模態(tài)振型圖

表1 結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率和振型描述

在模態(tài)振型中，模態(tài)位移為零的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)(圖中黑色)；幅值最大點(diǎn)稱為反節(jié)點(diǎn)(圖中深灰色)。節(jié)點(diǎn)位置的振動(dòng)對(duì)整體響應(yīng)沒有貢獻(xiàn)，反節(jié)點(diǎn)位置的振動(dòng)對(duì)整體響應(yīng)貢獻(xiàn)最大。在設(shè)計(jì)過程中盡量將外在激勵(lì)和質(zhì)量集中的部件布置在節(jié)點(diǎn)上或接近節(jié)點(diǎn)附近。

駕駛室的1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)是最重要的模態(tài)，該駕駛室的第1階和第2階模態(tài)都呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)形式，但頻率相差13 Hz，振型主要區(qū)別是節(jié)點(diǎn)和反節(jié)點(diǎn)的位置不同，呈現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。第3階模態(tài)出現(xiàn)地板向下而頂蓋向上運(yùn)動(dòng)的方向相反的運(yùn)動(dòng)形式的“呼吸”模態(tài)，容易激起聲腔模態(tài)而產(chǎn)生轟鳴聲。第5階和第6階出現(xiàn)局部模態(tài)，主要是頂蓋和前橫梁的局部振動(dòng)，這些位置剛度不足容易產(chǎn)生振動(dòng)。

4 聲腔模態(tài)分析

聲腔模態(tài)是指封閉空氣而形成的模態(tài)，同樣也存在模態(tài)頻率和模態(tài)振型。聲腔模態(tài)主要體現(xiàn)在壓力的變化。圖中顏色對(duì)應(yīng)壓力的大小，如圖3所示，不同位置的壓力是不同的。壓力為零的位置(圖中黑色)稱為節(jié)點(diǎn)。駕駛室的每階聲腔模態(tài)都有不同的振型。某鋁合金駕駛室前6階的振型圖如圖3所示。聲腔模態(tài)頻率及振型描述如表2所示。

圖3 聲腔模態(tài)振型圖

該駕駛室在頻率91.6 Hz出現(xiàn)第1階橫向模態(tài)，此振型的壓力分布以車輛中心線為對(duì)稱軸左右對(duì)稱，壓力從中心向兩側(cè)逐漸增大。第2階聲腔模態(tài)的壓力以節(jié)點(diǎn)組成的區(qū)域(黑色)為對(duì)稱面向兩側(cè)逐漸增大。第3階聲腔模態(tài)的振型相當(dāng)于第2階振型旋轉(zhuǎn)90°而得到，但頻率高出35 Hz。聲腔模態(tài)的振型隨著頻率的增加越來越復(fù)雜，呈現(xiàn)縱向和橫向交織的形式。

表2 聲腔模態(tài)頻率和振型描述

5 結(jié)論

通過有限元方法計(jì)算得到某鋁合金駕駛室的結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)，結(jié)論如下：

(1)通過分析該駕駛室的結(jié)構(gòu)模態(tài)，鋁合金駕駛室既能實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，也能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模態(tài)的目標(biāo)值，也為框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(2)通過分析該駕駛室的聲腔模態(tài)，得到了在中低頻率階段的聲腔模態(tài)，為板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

(3)駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)都是NVH的重要基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)駕駛室的舒適性和駕駛室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供技術(shù)支持。