某乘用車加速噪聲CAE分析優化與試驗驗證

姜雪 翟云龍 許京 鄧建交 侯杭生

摘 ?要：在某乘用車的開發過程中，工程樣車出現了加速噪聲不達標的問題。為解決問題以保證不影響項目時間節點，敏感位置和原因需要快速確定。CAE方法是目前行業中解決工程問題最有效和常用的手段，本文即采用CAE方法對問題進行分析診斷和結構優化，首先進行整車有限元建模，整個模型包括車身聲腔、內飾車身、底盤結構件、動力傳動系統結構件、模態輪胎等，各零部件之間利用剛性單元或者彈性單元連接和組裝。載荷為懸置被動端的加速度激勵，輸出的監測點為車內噪聲和座椅導軌的振動水平。在加速噪聲結果峰值附近進行節點貢獻量分析，針對貢獻量大的位置提出了優化方案。對比優化前后的車內加速噪聲結果，表明優化改進后加速噪聲明顯降低，達成了整車NVH目標。該工作體現了利用整車CAE仿真分析進行問題診斷和設計優化，可以極大地提高問題解決效率，降低試驗成本，有利于縮短開發周期。

關鍵詞：加速噪聲;整車虛擬仿真;貢獻量

中圖分類號：U461.4 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2020）05-0012-05

Abstract： During the development of a passenger vehicle program， an OTS prototype vehicle failed to meet the acceleration noise target. In order to resolve the issue and avoid the potential delay， the root causes need to be identified quickly. Since the CAE method is an effective and commonly used method to solve engineering problems in the automotive industry， this paper applies the CAE method to analyze the problem， identify the root cause， and optimize the structure. Firstly， a finite element full vehicle model is established， which includes the body cavity， interior body， chassis structure， powertrain system， modal tire， etc. The full vehicle model is assembled using elastic and rigid connections. The applied load is the acceleration excitation which is applied at the passive side of the engine mounts， and the output monitoring quantities are the interior noise level and the seat track vibration level. The contribution of nodes is analyzed near the peak value of the acceleration noise， and an optimization scheme is proposed for the areas with large contributions. Comparing the level of the acceleration noise before and after the optimization， it shows that the acceleration noise after the optimization is significantly reduced， and the NVH target of the vehicle is achieved. This work shows that the problem diagnosis and design optimization by CAE simulation for a full vehicle can greatly improve the efficiency of the problem solving， reduce the cost of testing and shorten the development cycle.

Key Words： Acceleration Noise; Vehicle Virtual Simulation; Contribution

1 ? ?前言

隨著工程技術的不斷提升和經濟的快速發展，人們對于汽車的要求已不僅局限于代步工具，而是更為注重駕乘舒適性的品質內涵。由于汽車振動噪聲性能直面用戶，NVH已經成為衡量汽車綜合性能的重要因素。動力總成噪聲作為車內噪聲的主要噪聲源之一，其水平的好壞將直接影響車內NVH水平[1]-[2]。

在某乘用車的開發過程中，工程樣車的NVH 主觀評價團隊發現該款車在高轉速加速過程中噪聲過大，上市后必定會引起客戶抱怨，因而需要迅速診斷問題根源，提出有效的解決方案。基于CAE可以快速有效定位問題和優化便捷的優點，NVH虛擬計算團隊建立了有限元整車模型，分析加速噪聲工況下車內噪聲響應和振動，精準定位問題的根源，快速有效驗證優化方案，有效地提升了整車NVH加速噪聲的性能。

2 ? ?加速噪聲分析

2.1 ? 整車建模

所建立的整車有限元模型如圖1所示，其中包括了車身聲腔、內飾車身、底盤結構件、動力傳動系統結構件、模態輪胎等。用于裝配整車的各零部件模型均經過模態或傳函的驗證以確保模型的準確性。在各個零部件中定義了裝配點，各零部件間裝配關系根據實車情況采用剛性連接、球鉸連接和橡膠襯套連接三種表達方式。剛性連接和球鉸連接通過不同的自由度關系來模擬，橡膠襯套采用動剛度常量或者動剛度曲線來近似。噪聲響應采集點定義在車身聲腔中，具體設在駕駛員或者乘員的耳朵位置。振動響應點定義在車身結構中，具體位置為駕駛員座椅導軌振動響應點和方向盤振動響應點。

2.2 ? 整車模型校驗

整車模型校驗分成兩個部分，零部件子模型校驗和整車裝配模型校驗。零部件子模型校驗指標如表1所示。簡單結構件由CAE的模態分析驗證即可，復雜結構件需要CAE和試驗的雙重驗證。車身模型校驗指標包括聲傳函（NTF）和振動傳函（VTF）。底盤結構建模型的校驗由CAE模態驗證即可。減振器模型需要進行傳遞函數和模態試驗，由試驗結果逆向算出減振器的剛度特性，保證減振器特性與實際保持一致。

子模型校驗后進行裝配模型校驗。整車裝配模型校驗指標如表2所示：

在項目開發前期、缺乏實車試驗激勵數據的情況下，無法準確驗證響應結果，所以驗證底盤傳遞函數和整車傳遞函數。獲取試驗數據后，加載試驗測試的懸置激勵和車輪軸頭力激勵校驗整車頻響分析響應。

本文通過計算加速工況下振動噪聲響應來實現模型驗證，圖2所示為CAE的計算值與試驗獲得的結果對比。從加速工況噪聲響應校驗的結果可以看出趨勢良好，基本滿足整車NVH性能分析需求。

2.3 ? 整車加速工況噪聲分析

由于在項目中后期具有試驗車的資源，為保證激勵的準確性，采用試驗測試的懸置被動側的加速度激勵作為模型的輸入載荷。分析工況為三擋加速0.5階次、1階次、……、4階次加速度激勵，響應點為駕駛員內外耳和后排右側內外耳。得到駕駛員外耳聲壓級響應曲線如圖3所示，從各個階次得到的響應結果可以看出，二階激勵導致的響應最顯著，其次是四階，故這兩個階次的頻響分析需要進一步進行細化分析。

3 ? ?加速噪聲診斷

獲得加速噪聲的結果后，需要確定問題的產生根源，然后提出解決問題的合理優化方案。本文采用節點貢獻量分析法，針對加速噪聲各峰值頻率進行貢獻量分析。

相比于原來廣泛使用的板貢獻量法，節點貢獻量不但計算效率高，而且省略了將模型分塊的步驟，在很大程度上降低了工作量。節點貢獻量分析的實質是把聲腔內的響應分解為流固耦合界面上的每個節點貢獻，這樣就可以根據耦合面上貢獻量大的位置去定位車身結構上對應的結合位置，直接輸出聲腔表面網格貢獻量，方便快捷的診斷貢獻量大的位置，高效地、針對性地提出優化方案[3]-[5]。

根據此乘用車的高轉速噪聲大的問題，以下對高轉速對應的頻率范圍的貢獻量進行詳細的說明。三擋加速二階激勵下的駕駛員外耳噪聲響應曲線如圖4所示：

圖中結果表明，對應于峰值頻率145Hz的轉速為4350轉，與試驗結果一致。通過計算145Hz處的貢獻量，圖5所示為節點貢獻量結果。

4 ? ?加速噪聲優化

從節點貢獻量的分析結果圖4知，后排左側地板區域貢獻量最大，所以優化工作圍繞該區域進行，此處的地板結構如圖6所示：

該地板下方優化策略是移頻，由此提出三種方案。方案一是增加焊點，此處地板與下方的縱梁由于工藝的原因，由兩段梁焊接而成，目前焊點僅有兩個，方案一是再增加四個焊點，提高梁對地板的連接效率作用，見圖7所示。方案二是在梁上增加一個2kg的質量塊，通過改變質量達到移頻的效果，見圖8所示。方案三是在兩個縱梁之間加入一個橫梁，增加整體結構的剛度，如圖9所示。對這三種方案分別進行三擋加速工況噪聲響應分析，得到駕駛員外耳噪聲140-180Hz段聲壓級的變化量如表3所示。三種方案對于高轉速噪聲均有改善，其中加入橫梁改善效果最為明顯，在140-180Hz范圍內總聲壓級下降2.2dB（A）。得到各方案的貢獻量結果如圖10-12所示。由于貢獻量標尺經過正則化，標尺最大值均為1，所以在方案改進后，后排地板下方位置已經不是主要貢獻位置，所以其他位置的貢獻量也突出出來，改進方案的貢獻量結果證明了改進方案的有效性。

在CAE分析完成后，通過試驗對三個方案進行驗證，試驗結果結論與CAE結論一致，三種方案均可改善動力總成高轉速噪聲。試驗結果見圖13所示：

5 ? ?結語

（1）基于有限元整車分析方法可以高效、準確的評估整車的加速噪聲水平。

（2）基于節點貢獻量分析可以準確定貢獻量較大的位置，針對高敏感度位置結構進行優化，可以有效降低峰值。

參考文獻：

[1]龐劍，諶剛，何華. 汽車噪聲與振動理論應用[M]. 北京：北京理工大學出版社，2006.

[2]譙萬成，張銘成. 轎車加速車內噪聲的降低[J]. 汽車技術，2012.

[3]陳丹華，汪海濤. 應用TPA 基于車身接附點動力總成載荷的車內噪聲優化[J]. 制造業自動化，2019.

[4]陳實. 發動機激勵引起的車內結構噪聲分析與控制[D]. 重慶交通大學，2016.

[5]陳明. 基于車內噪聲的轎車NVH改進[J]. 汽車工程師. 2010（05）.