汽車車身振動噪音控制混合數(shù)值方法研究.pdf

1、在汽車行業(yè)高速發(fā)展的過程中，汽車振動噪音NV(Noise Vibration)的水平逐漸成為了車企及消費者共同關(guān)心的一個重要性能指標(biāo)。汽車振動噪音產(chǎn)生的原因多樣而復(fù)雜，不同的機理產(chǎn)生的振動噪音具有不同的頻率特點。車身結(jié)構(gòu)振動噪音是影響車內(nèi)噪音的一個重要因素，針對車身結(jié)構(gòu)而進行的振動噪音研究與控制具有重要的工程意義。在目前汽車車身開發(fā)中，汽車車身結(jié)構(gòu)振動噪音的優(yōu)化設(shè)計主要集中在汽車正向開發(fā)的早期，早期的車身開發(fā)非常依賴于虛擬的CAE(Co

2、mputer Aided Engineering)技術(shù)，一旦車身開發(fā)前期設(shè)計存在問題，開發(fā)后期的更改將會涉及修改模具等一系列大的動作，修改成本十分昂貴。CAE是縮短車身開發(fā)周期，確保車身NV性能的關(guān)鍵。振動噪音數(shù)值方法又是構(gòu)成CAE技術(shù)的核心，因此振動噪音數(shù)值仿真方法的精度和計算效率對車身設(shè)計的重要性是不言而喻的。
　　在此背景下，本文依次介紹了各個頻率段的不同車身振動聲學(xué)的仿真方法，總結(jié)了低頻，中頻，高頻等不同的數(shù)值方法的主要特

3、點，以及其相應(yīng)的應(yīng)用范圍。針對目前數(shù)值方法中存在的局限性，提出了一系列改進的數(shù)值技術(shù)。本文的研究主要涉及到面向四個不同車身NV特性的數(shù)值方法，主要包含預(yù)測車身結(jié)構(gòu)本體振動特性的數(shù)值方法、車身結(jié)構(gòu)振動聲學(xué)耦合方法、車身結(jié)構(gòu)振動聲學(xué)傳遞損失方法，以及車身結(jié)構(gòu)振動輻射噪音方法，具體內(nèi)容如下:
　　(1)針對車身結(jié)構(gòu)振動的預(yù)測問題，本文根據(jù)Reissner-Mindlin理論提出了一種基于單元節(jié)點和單元邊的新型混合光滑有限元法(NS+ES

4、-FEM)，并將其應(yīng)用于車身薄板結(jié)構(gòu)的靜力和自由振動分析。該方法分別利用了基于單元節(jié)點的光滑有限元法(NS-FEM)和基于邊的光滑有限元法(ES-FEM)各自的優(yōu)勢，巧妙地消除了薄板問題中的“剪切自鎖”現(xiàn)象，其中彎曲應(yīng)變域是采用基于單元邊的梯度技術(shù)進行光滑處理，而剪切應(yīng)變域是按照一定的比例權(quán)重分別應(yīng)用了NS-FEM和ES-FEM的方法使其光滑，該比例權(quán)重系數(shù)可以通過一個簡單的數(shù)學(xué)公式在考慮板厚度以及網(wǎng)格尺寸差異的情況下自動計算而得到。新

5、方法中通過線性插值，采用了便于自動劃分網(wǎng)格的三節(jié)點三角形單元，使得建立的FEM模型簡單而穩(wěn)定。為了便于引用，該新方法記為NS+ES-FEM。本文中多個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值算例表明該新型方法在自動消除剪切鎖定現(xiàn)象的同時也提高了靜態(tài)以及動態(tài)計算結(jié)果的精度。
　　(2)針對車身結(jié)構(gòu)振動與聲腔的耦合問題，本文在光滑有限元的基礎(chǔ)上，結(jié)合統(tǒng)計能量法，構(gòu)造了基于光滑有限元和統(tǒng)計能量法的混合方法(S-FE-SEA)。中頻預(yù)測問題是一直是振動噪音領(lǐng)域的一個難點

6、和熱點，結(jié)構(gòu)聲學(xué)中頻響應(yīng)復(fù)雜，單一的確定性低頻方法和統(tǒng)計性的高頻方法都不合適中頻問題的分析與預(yù)測。而新構(gòu)造的混合方法可以較好地處理中頻振動噪音預(yù)測問題，根據(jù)該理論，結(jié)構(gòu)與聲腔的耦合系統(tǒng)，可以分為確定性有限元聲腔子系統(tǒng)以及具有統(tǒng)計性的平板結(jié)構(gòu)SEA子系統(tǒng)。模態(tài)較低的聲腔子系統(tǒng)可以采用基于四面體單元邊的光滑有限元進行模擬，模態(tài)密度較高板件結(jié)構(gòu)則采用統(tǒng)計能量法進行仿真，兩個不同的子系統(tǒng)通過直混場互惠定理進行關(guān)聯(lián)。文中算例表明，新構(gòu)造的混合S-

7、FE-SEA能夠在聲固耦和系統(tǒng)的頻響分析中得到比傳統(tǒng)FE-SEA混合方法更好的精度。
　　(3)針對薄板結(jié)構(gòu)的聲學(xué)傳遞損失預(yù)測問題，本文建立了基于邊光滑有限元模型以及統(tǒng)計能量法的三子系統(tǒng)的混合ES-FE-SEA模型，進一步提高了中頻傳遞損失預(yù)測的準(zhǔn)確性?；谶叺墓饣邢拊?，可以“軟化”其傳統(tǒng)有限元中得固有的“剛度偏硬”特性從而減少誤差。同時，SEA方法能夠處理相對更高頻率范圍的聲學(xué)不確定性問題。在混合模型中，關(guān)注的結(jié)構(gòu)采用精度較高

8、的ES-FEM方法進行離散模擬，由于相鄰空腔的模態(tài)密度較大，因此混響空腔則采用高頻的SEA方法進行建模。不同SEA與FE子系統(tǒng)之間的耦合通過直混場互惠原理建立。新方法首先應(yīng)用在一個標(biāo)桿算例，得出的預(yù)測解與參考結(jié)果吻合的程度非常高。隨后該方法被應(yīng)用于某轎車前擋風(fēng)玻璃以及前隔板的聲學(xué)傳遞損失預(yù)測中，最后，通過標(biāo)準(zhǔn)實驗，進一步驗證了ES-FE-SEA在計算精度方面的優(yōu)勢。
　　(4)針對結(jié)構(gòu)振動輻射噪音分析的問題，本文提出了一種利用快速

9、多極元邊界元與基于邊的光滑有限元的混合數(shù)值計算方法(ES-FEM/FM-BEM)，其中振動結(jié)構(gòu)域使用ES-FEM方法來建模型。基于單元邊的梯度光滑處理可用來減少標(biāo)準(zhǔn)有限元里面的剛度偏硬的現(xiàn)象，從而減少了內(nèi)在的數(shù)值離散缺陷，提高計算精度。將通過ES-FEM計算得到的結(jié)構(gòu)表面的法向速度作為邊界條件施加在聲腔接觸面，并利用快速多極邊界元FM-BEM預(yù)測聲腔內(nèi)外的輻射噪音。與傳統(tǒng)邊界元相比較而言，F(xiàn)M-BEM矩陣向量運算量以及數(shù)據(jù)存儲量都大大降