基于阻尼層多目標動力學拓撲優化的車內噪聲控制

張 宇 ，曹友強

(1. 重慶電子工程職業學院 汽車工程學院，重慶401331； 2. 吉利汽車研究總院，浙江 寧波315336)

0 引 言

車輛行駛狀態下車內噪聲水平是衡量NVH性能的重要指標，亦是影響消費者購車行為的主要因素之一。合理使用阻尼材料可提高車身壁板的吸隔聲性能，從而降低車內低頻結構噪聲[1]。因此，如何在車身壁板上設計合理的阻尼材料便成為當前NVH技術研究的焦點之一。

傳統的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[2-4]。模態應變能云圖取值范圍不同會導致設計的阻尼材料布局各異。這往往給工程化實施帶來困擾。但是近年來隨著動力學拓撲優化技術的發展，為車身阻尼材料布局優化提供了新的方法[5-6]。

不少文獻對車身局部阻尼材料的減振降噪性能進行了研究。例如，文獻[7]研究了地板阻尼涂層對車內噪聲的影響，并使車內加速噪聲峰值下降了2～4 dB(A)；文獻[8]研究了頂蓋自黏型約束阻尼材料布置優化形式，使車內噪聲下降了1.0～2.2 dB(A)；文獻[9]采用拓撲優化方法對地板熱熔型自由阻尼材料布置進行優化，使車內噪聲下降了2.3 dB(A)。但是鮮有關于車身阻尼材料總體布局研究的文獻。

針對某車型車內噪聲問題，以壁板貢獻度和模態貢獻度為參考指標，采用多目標動力學拓撲優化方法對整車阻尼材料布局進行綜合設計，以期達到改善車內噪聲性能的目的，并為整車阻尼材料總體布置提供一種有效的設計方法。

1 復合阻尼結構基本理論

通常為達到減振降噪的目的，以車身不同區域壁板作為基板，敷設面積不等、種類各異的阻尼材料，從而構成復合阻尼結構，并采用復常數模量描述其黏彈性材料的本構關系，復合阻尼結構系統自由振動方程為

[M]{ü}+[K′+iK″]{u}=0

(1)

式中：[M]為質量矩陣；[K′+iK″]為復剛度矩陣。

設式(1)的特解為

{u}={Ψ}eλt

(2)

則將式(2)代入式(1)得：

(λ2[M]+[K′+iK″]){Ψ}=0

(3)

求特征值方程：

|λ2[M]+[K′+iK″]|=0

(4)

可得復特征值：

λi=α+iβ

(5)

式中：α為解的實部；β為解的虛部。

進而可以得到復合阻尼結構第i階模態的固有頻率fi和模態阻尼損耗因子ηi：

(6)

(7)

模態阻尼損耗因子ηi一般為阻尼比的2倍。模態損耗因子描述的是系統能量的衰減，阻尼比描述的是振動幅值的衰減[10]。

因此，為使復合阻尼結構具有最佳的阻尼比和模態損耗因子，可選取降低基板振動幅值為優化目標，借助拓撲優化技術獲得阻尼材料最佳布局。

2 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振動傳遞至車身結構，導致車身壁板振動從而產生輻射噪聲。基于上述機理，聲固耦合仿真分析技術可作為模擬車內噪聲性能的一種有效手段。

2.1 車內噪聲仿真計算

以某車型為研究對象，運用HyperWorks有限元仿真軟件，建立由白車身、開閉件、玻璃和聲腔構成的聲固耦合仿真分析模型。其中，車身焊點結構采用ACM單元模擬；車身鈑金結構采用單元尺寸為10 mm的板殼單元離散；車內聲腔結構采用單元尺寸為60 mm的流體單元離散。最終構成的聲固耦合仿真分析模型包含55.2萬個固體單元，18.7萬個流體單元。為模擬車輛勻速行駛狀態，在前、后懸架安裝點施加20～200 Hz的單位激振力(見圖1)。

圖1 某車型聲固耦合仿真分析模型Fig. 1 Acoustic-structure coupling simulation analysis model for acertain vehicle

選擇駕駛員右耳位置(DR測點)和后排座椅中間位置(RM測點)作為車內噪聲響應點。計算獲得DR測點和RM測點噪聲響應見圖2。可見該車型DR測點和RM測點在118 Hz均存在明顯異常噪聲峰值。這類低頻噪聲極易導致駕乘人員乘坐舒適性惡化，必須采取措施加以改善。

圖2 車內噪聲仿真計算結果Fig. 2 In-car noise simulation calculation results

2.2 壁板貢獻度分析

20～200 Hz頻段的車內低頻噪聲主要是由車身壁板振動所產生的結構噪聲，車內噪聲測點處的聲壓可以認為是各板件振動引起的聲壓疊加。對構成車室聲腔的壁板進行貢獻度分析，可以獲取各壁板對關注噪聲頻率的影響程度，從而便于確定振動噪聲源位置。

為找出導致車內噪聲異常峰值的壁板，先分別以DR測點和RM測點118 Hz噪聲峰值為對象，計算構成車室聲腔主要大面積壁板的噪聲貢獻度，再將兩測點的壁板噪聲貢獻。

貢獻度進行加權求和，得到計算結果見表1。可見，前圍板、前車門內板和后地板對車內噪聲的貢獻度遠大于其他壁板。同時，前門內板對DR測點異常噪聲峰值貢獻量最大，后地板和前圍板對RM測點異常噪聲峰值貢獻量最大。因此，為有效、精準地改善車內噪聲性能，應在上述車身壁板合理的敷設阻尼材料。

表1 車身壁板貢獻度Table 1 Contribution of body panels %

2.3 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，分別針對DR測點和RM測點在118 Hz處的噪聲峰值進行結構模態貢獻度分析(見圖3)。

圖3 車內噪聲測點結構模態貢獻度Fig. 3 Mode contribution of noise measurement points in car

由圖3可知，對DR測點118 Hz噪聲峰值模態貢獻度較大的模態階次為94階、151階和142階，對RM測點118 Hz噪聲峰值模態貢獻度較大的模態階次為94階、107階、102階和82階。

3 車身阻尼材料優化設計

為充分利用阻尼材料的減振降噪性能來改善車內噪聲水平，需要對車身阻尼材料布局進行優化設計。而拓撲優化技術通過在給定設計空間內尋求最佳的結構分布形式，來達到優化結構的目的。這為尋求車身阻尼材料的最佳布局提供了一種便捷的手段。

3.1 阻尼材料拓撲優化模型

利用多目標動力學拓撲優化技術，對車身阻尼材料總體布局進行設計，實現盡量少用材料且達到改善車內噪聲的目的。為此，建立的多目標動力學拓撲優化數學模型如下：

(6)

3.2 阻尼材料設計

根據上述數學模型，通過壁板貢獻度分析和模態貢獻度分析結果，計算得到敏感車身壁板在主要貢獻模態階次的綜合模態振型應變能見圖4，綜合模態應變能突出區域見圖4中的A～F點。

圖4 車身敏感壁板綜合模態應變能Fig. 4 Comprehensive modal strain energy of car sensitive panel

為建立合理的拓撲優化模型，結合車身壁板幾何結構和阻尼材料敷設工藝要求，首先在前門內板、前圍板和后地板敷設阻尼材料初始布局(見圖5中白色線框區域)，并分別選取自黏型約束阻尼材料、自黏型自由阻尼材料和熱熔型自由阻尼材料。各類型阻尼材料性能參數見表2。

根據式(6)提出的拓撲優化方法，拾取圖4中綜合模態應變能突出的A-F點為關鍵點，分別計算求得各關鍵點的法向頻響位移最大幅值以及加權系數αi，從而構建多目標動力學拓撲優化目標函數。隨后，運用HyperWorks軟件平臺中的Optistruct軟件，計算獲取車身阻尼材料單元密度云圖，見圖5。

表2 阻尼材料性能參數Table 2 Performance parameters of damping material

圖5 車身敏感壁板阻尼層單元密度云圖Fig. 5 Cell density nephogram of damping layer of carsensitive panel

由圖4、圖5車身敏感壁板的綜合模態應變能云圖和阻尼層單元密度云圖，分別采用在車身壁板模態應變明顯區域敷設阻尼材料的方法和筆者提出的多目標動力學拓撲優化方法設計車身敏感壁板阻尼層布局見圖6。

計算求得兩種車身阻尼材料布局對車內噪聲影響效果見圖7，車內118 Hz處異常噪聲峰值大小見表3。

表3 118 Hz處車內噪聲峰值Table 3 The peak value of noise in car at 118 Hz dB

圖6 兩種阻尼設計方法效果對比Fig. 6 Comparison of two damping design methods

圖7 車內噪聲改善效果Fig. 7 Interior noise improvement effect

通過車內噪聲計算結果對比可知，兩種車身壁板阻尼材料設計方案均使118 Hz處車內異常噪聲峰值得到明顯削弱。方案一使前、后排噪聲測點在118 Hz處異常噪聲峰值降低約4.5 dB，方案二使前、后排噪聲測點在118 Hz處異常噪聲峰值降低約6.6 dB。可見，方案二較方案一對車內異常噪聲峰值控制具有更好的效果。

3.3 實車性能驗證

為進一步驗證上述阻尼材料設計方案對車內勻速噪聲改善效果，開展實車100 km/h勻速工況車內噪聲測試。在駕駛員右耳位置(DR測點)和后排座椅中間位置(RM測點)布置麥克風，通過LMS噪聲測試系統采集到實車100 km/h勻速工況噪聲數據見圖8。

圖8 車內噪聲實測數據Fig. 8 Measured data of noise in car

通過100 km/h勻速狀態下，車內噪聲實測數據可知，方案一使前排噪聲降低0.90 dB(A)，但后排噪聲卻升高0.6 5 dB(A)。而方案二使前排噪聲降低1.77 dB(A)、后排噪聲降低0.83 dB(A)。由此表明筆者提出的基于多目標動力學拓撲優化技術的阻尼材料設計方法對車內勻速噪聲改善效果更佳。

4 結 語

針對某車型勻速噪聲異常峰值控制，采用有限元仿真技術，根據車身壁板模態應變能分布和多目標動力學拓撲優化方法設計了兩種阻尼材料設計方案。經仿真計算和實車測試結果表明，后者減振降噪效果更佳。

提出的阻尼材料設計方法充分考慮車身壁板與車內噪聲的關聯程度，獲得的優化方案清晰，工程實施便捷，且具有良好的優化效果，可為同類車型車身阻尼材料總體布局設計提供思路借鑒和方案參考。