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某SUV驾驶室内噪声分析与改进

2022/5/24    来源:Altair    作者:李京福  于显峰  王臻  乔鑫      
关键字:HyperMesh  有限元仿真  板贡献量  
随着人们对环境意识的逐渐提高,车辆噪声问题已引起广泛关注。如何改善驾驶室内的声学环境,降低车内噪声水平,提高车辆NVH性能已成为当今汽车界研究的重点之一。
1 概述

       随着人们对环境意识的逐渐提高,车辆噪声问题已引起广泛关注。如何改善驾驶室内的声学环境,降低车内噪声水平,提高车辆NVH性能已成为当今汽车界研究的重点之一。大量研究和试验表明,发动机激励引起的车内结构噪声大部分由发动机惯性激励引起。发动机工作时,产生惯性激励以及不平衡力,通过动力总成悬置传递给车身,因此车身结构板件的振动,并进一步向车内辐射中低频噪声。根据国内外研究经验,由结构振动引起的20-200Hz的低频噪声是目前车内噪声的主要成分。研究动力总成-车身结构噪声传递路径识别及车内结构噪声控制具有重要的理论意义和工程价值。

2 驾驶室内噪声测试

       某乘用车工装样车阶段会进行发动机激励驾驶室内振动噪声试验。经过测试驾驶员右耳3500rpm左右存在明显轰鸣,根据2阶噪声测试超出目标线12dB(A)。试验表明发动机激励车内噪声明显超标。试验曲线如下图1所示。

驾驶员内耳测试结果

图1 驾驶员内耳测试结果

3 车内结构噪声传递路径分析(TPA)

       汽车是一个比较复杂的系统,由多个子系统组成。子系统频率响应函数综合技术是一种从局部到整体来研究复杂车辆动态性能的方法。所有各个子系统频率响应的贡献构成了整个系统的总响应。基于子系统频率响应的传递路径分析,可确定各子系统的传递路径流入的激励能量在整个问题中所占的比例,识别对车内噪声贡献最大的传递路径。同时可以对比分析每条路径的传递函数和传递激励,综合分析引起传递噪声过大的原因。如图2所示,为TPA分析结果。

车内结构噪声传递路径分析

图2 车内结构噪声传递路径分析

       通过试验发现3500rpm存在轰鸣并找到从发动机悬置到驾驶员人耳处路径的贡献最大,但是继续通过试验手段进行优化,需要在路径是增加方案不断验证,周期较长。这样可以通过有限元手段进行快速方案验证,来查找更改的趋势,以便指导试验进行工程更改。这样首先需要进行试验与仿真模型的对标,再对仿真模型进行优化。

4 TrimBody有限元模型建立

       HyperMesh是世界领先的独立与求解器的有限元分析前后处理平台拥有全面的CADCAE求解接口,强大的几何清理、网格划分以及装配功能。车身是噪声与振动的传递通道,各种噪声与振动源通过车身传入到车内。分析车身结构的动态特性可以更好地掌握振动传递和噪声产生的机理,进而为车内噪声预测、传递路径分析以及板件声学贡献分析等提供依据。准确的有限元模型是进行计算分析的基础和前提。如图3所示,为某SUV TrimBody有限元模型。

某SUV TrimBody有限元模型

图3 某SUV TrimBody有限元模型

       车身、闭合件、中控台、仪表板总成、转向系统和座椅等结构有限元模型主要采用壳单元尺度尺寸6mm,部分需要实体单元,如管柱的心轴,门铰链等。对应刚度较低的内饰和外饰件采用质量点或非结构质量代替。将各子系统装配起来,螺栓连接采用RBE2单元,锁,密封条和限位块等采用CBUSH单元模拟。基于上述基本原则,在HyperMesh中建立TrimBody结构的有限元模型。

       通过内饰CAS面生成声腔网格。以下为声腔前4阶模态,如图4所示。

声腔模态结果

图4 声腔模态结果

5 问题分析与改进

       5.1 NTF试验曲线对比

       基于试验分析得出从发动机Z向到驾驶员内耳噪声路径为主要贡献,可以通过仿真手段降低此路径的响应结果,因此首先将仿真结果与试验结果对标,并基于对标模型进行优化。从图5可以看出在3500RPM转左右试验和仿真均存在峰值,仿真结果基本与试验吻合。

NTF曲线对比

图5 NTF曲线对比

       5.2 板贡献量分析

       通过NTF曲线3500rpm处左右存在峰值,在HyperMesh中将声腔与结构板件耦合部分进行划分,需要划分的板块设置成不同的PID,但需保留原有板块的属性,以方便选择板块。为了更清晰的查找问题区域,大的板块需切成小块,如防火墙等。板件划分区域如图6所示。利用板贡献量分析方法找出3500rpm处贡献最大的板件,并针对板件进行相关的优化。

板块划分

图6 板块划分

板贡献量柱状图

图7 板贡献量柱状图

       根据贡献量柱状图7可知,右侧风挡贡献最大40.49%,因此想办法提升右侧风挡的周边结构,可以改进响应的结果。

       5.3 方案改进

       输出NTF峰值处的声腔和结构的动画。由图8可知120Hz处声腔右侧风挡区域沿着X向前后抖动,此频率下的结构板件风挡下端也沿着X向前后抖动,显然此频率下声腔和结构发生了耦合,而且从发动机安装点Z向到驾驶员内耳的路径需通过此处。风挡的结构如厚度,材料很难进行更改,因此只有改善周边的结构,才能改进驾驶员人耳处的响应。如图9,火墙和cowl刚度较弱,雨刮电机安装部位变形明显,是导致风挡抖动的主要原因,基于以上分析需要对Cowl和火墙进行加强。

120Hz声腔与结构

图8 120Hz声腔与结构

结构变形

图9 结构变形

改进方案

图10 改进方案

       在雨刮安装部位增加支架,抑制雨刮安装点上下端变形,起到支撑作用,风挡的变形变小,如图10为更改后的结构。基于此结构进行NTF仿真,明显120Hz左右峰值下降。红色曲线为基础NTF曲线,蓝色虚线为优化后的NTF曲线,在3500rpm处,从发动机安装点Z向到驾驶员内耳NTF曲线降低2dB,最终此方案在实车验证后,车内轰鸣明显得到了改善,如图11所示。

NTF优化结果

图11 NTF优化结果

6 分析与结论

       通过对标分析确定模型准确性,并基于有限元模型查找问题。通过HyperMesh建立板贡献量分析模型,并能够快速的找出贡献最大的板块,并使用HyperView读取位移最大的结构,并结合贡献最大的板块在其附近处进行结构优化。最终驾驶员内耳响应得到改善。
责任编辑:程玥
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