車身阻尼材料布局拓撲優化設計

張 宇，曹友強

（1.重慶電子工程職業學院 智能制造與汽車學院，重慶401331；2.吉利汽車研究總院，浙江 寧波315336）

車身阻尼材料能把振動能量和聲能轉變為熱能并耗散掉，合理使用阻尼材料可提高車身壁板的吸隔聲性能[1]，降低車內低頻結構噪聲[2]。因此，阻尼材料設計便成為當前車身減振降噪領域的研究焦點之一。

傳統方法是基于車身結構模態應變能和板件貢獻量來確定阻尼敷設位置[3–5]。但是該方法難以精確定位阻尼敷設位置，造成阻尼材料浪費。于是不少學者提出運用動力學拓撲優化技術來設計車身阻尼材料。例如，房占鵬[6]等采用雙向漸進優化法對約束阻尼板結構的約束阻尼材料的布局進行優化；鄭玲[7]等以車身模態損耗因子最大化為優化目標，采用拓撲優化算法對前地板阻尼材料布局進行優化；張志飛[8]等以車身模態阻尼比最大化為優化目標，采用優化準則法對商用車駕駛室前圍板阻尼材料布局進行優化。

本文針對某車型車內勻速噪聲控制問題，提出一種綜合考慮車身壁板減振降噪和阻尼材料重量控制的多目標動力學拓撲優化技術對阻尼材料布局進行優化，以期改善車內噪聲性能。

1 車內噪聲仿真分析

車輛行駛過程中，路面、動力總成系統、進排氣系統、傳動系統等外部激勵源將導致車身壁板振動從而產生輻射噪聲。采用聲振耦合仿真分析方法可以準確地模擬車輛行駛過程中車內噪聲性能，為分析評價提供依據。

1.1 車內噪聲仿真計算

以某車型為研究對象，建立由白車身、開閉件、玻璃和聲腔構成的聲振耦合仿真分析模型。為模擬車輛勻速行駛狀態，在前、后懸架安裝點施加20 Hz～200 Hz 的單位激振力（見圖1），并選擇駕駛員右耳位置（DR測點）作為車內噪聲響應點。

圖1 某車型聲振耦合計算激勵力施加位置

計算獲得DR 測點噪聲響應見圖2。可見該車型DR測點在20 Hz～200 Hz頻段整體聲壓級偏高，并且在185.5 Hz存在明顯異常噪聲峰值。這類低頻噪聲在車輛行駛過程中易導致駕駛人員舒適性降低而引起抱怨，所以必須采取控制措施。

圖2 車內DR測點噪聲仿真計算結果

1.2 壁板貢獻度分析

對構成車室聲腔的壁板進行貢獻度分析，可以獲取各壁板對噪聲頻率的影響程度，從而便于確定對車內噪聲異常峰值影響明顯的壁板區域。

為獲取對DR 測點185.5 Hz 噪聲峰值貢獻最大的板件，以便有針對性敷設阻尼材料進行車內噪聲優化，首先將車身壁板分成7 個主要部分。然后運用HyperWorks 軟件NVH 模塊，計算構成車室聲腔主要大面積壁板的噪聲貢獻度，得到計算結果見表1。

表1 車身壁板貢獻度/(%)

由表1 可見，前圍板對車內噪聲的貢獻度遠大于其他壁板。因此，選取前圍板作為敷設阻尼材料區域能取得更明顯的改善效果。

1.3 模態貢獻度分析

模態貢獻度能反映系統每階結構模態對車內聲學響應的參與量。為了識別對車內異常噪聲峰值貢獻度最大的結構模態階次，針對DR測點在185.5 Hz處的噪聲峰值進行結構模態貢獻度分析（見圖3）。可見第191 階結構模態對DR 測點185.5 Hz 噪聲峰值具有絕對貢獻。

圖3 DR測點結構模態貢獻度

2 車身阻尼材料設計

2.1 阻尼布局拓撲優化模型

拓撲優化技術是一種結構優化方法，可在給定的設計空間內尋求最佳的結構分布形式，以達到優化結構性能或減輕重量的目的。該優化方法的這一特點為尋求車身壁板最佳的阻尼布置提供了一種便捷的手段。

本文利用連續體結構拓撲優化技術對車身壁板的阻尼材料布局進行優化，同時考慮車身壁板復合阻尼結構模態阻尼損耗因子最大化和阻尼材料重量最小化兩因素，建立如下拓撲優化數學模型

式中，設計變量xi為阻尼材料結構單元i 的密度，下限為xmin，上限為1；

約束條件為優化后的阻尼材料體積不超過優化前（阻尼材料覆蓋整個所在壁板）的30%；

目標函數為f(x)，其中：α和β分別為結構頻響振幅和阻尼材料重量的加權系數，由工程實際情況確定；di,k為車身壁板第j階模態關注節點k的法向頻響幅值，m 為優化中關注模態階次總數，n 為拾取頻響分析節點總數，N為車身阻尼材料單元總數，Vi為阻尼材料i單元的體積。

2.2 阻尼拓撲優化設計

2.2.1 基于模態應變能的阻尼設計

為獲知上述基于多目標動力學拓撲優化模型的車身壁板阻尼材料設計方法對車內噪聲改善效果，將其與文獻[3－5]介紹的基于模態應變能阻尼設計方法進行對比驗證。由前文研究獲知，前圍板第191階結構模態對DR 測點異常噪聲峰值有顯著影響。故計算得到前圍板的該階模態應變能云圖見圖4。

圖4 前圍板第191階模態應變能云圖

據此設計阻尼材料布局見圖5。

圖5 基于模態應變能的阻尼材料設計

2.2.2 基于拓撲優化的阻尼設計

針對本車型，提取前圍板在第191 階結構模態階次下的模態振型見圖6。

圖6 前圍板第191階模態振型

拾取節點A和節點B的法向頻響幅值及前圍板滿敷阻尼材料時各阻尼層單元密度共同構成優化目標函數。采用式（1）所表示的拓撲優化數學模型對前圍板阻尼材料布局進行優化，獲得前圍板阻尼材料單元密度分布見圖7。

圖7 前圍板拓撲優化單元密度分布云圖

據此，根據拓撲優化結果和前圍板幾何結構特征，設計阻尼材料布局見圖8。阻尼材料優化結構與初始結構（即阻尼材料滿敷前圍板）的體積比僅為8.5%，滿足優化約束條件要求。

2.2.3 性能對比分析

根據圖5 和圖8 所示前圍板的2 種阻尼材料布局方案對車內DR 測點噪聲改善效果進行對比，計算結果見圖9。

圖8 前圍板阻尼材料布局

圖9 基于2種阻尼材料設計方法的計算結果對車內噪聲影響

由圖9 可見，采用方案一和方案二在前圍板敷設阻尼材料后DR 噪聲測點在185.5 Hz 處異常噪聲響應峰值大幅削弱，由原狀態的137.9 dB/N 分別降到89.5 dB/N 和86.9 dB/N。而方案二使DR 噪聲測點異常峰值較方案一降低2.6 dB/N，更有助于改善車內噪聲性能。

3 實車試驗驗證

為驗證上文提出的多目標動力學拓撲優化阻尼材料設計方案（方案二）對車內噪聲改善程度，開展車內DR測點勻速噪聲實車試驗，測試數據見圖10。

圖10 車內勻速噪聲試驗驗證

由圖10 可知，在100 km/h、80 km/h 和60 km/h 3 種勻速工況下，在前圍板敷設阻尼材料后，DR 測點聲級較原狀態分別降低0.73 dB(A)、1.87 dB(A)、0.65 dB(A)。表明本文提出的阻尼材料優化方法對實車勻速噪聲性能改善具有良好效果。

4 結語

（1）針對某車型勻速行駛車內噪聲控制問題，以車身壁板噪聲貢獻量及模態貢獻量為綜合評價指標，提出一種車身壁板阻尼材料多目標動力學拓撲優化設計方法。

（2）經過與傳統的基于模態應變能的阻尼材料設計方法進行對比分析獲知，該方法可使車內噪聲性能得到更好控制。同時，實車測試數據表明，該方法可有效地改善車內勻速噪聲性能。

（3）本文提出的阻尼材料多目標動力學拓撲優化方法可運用于車身開發設計階段，通過設計最佳的阻尼材料布局從而避免車身結構過度優化，降低開發成本，提高研發效率，具有良好工程實用價值。