1 前言
隨著國內(nèi)汽車市場的日漸成熟，人們對汽車的品質(zhì)要求越來越高，在汽車的幾大性能中，NVH，即噪聲(Noise)、振動(Vibration)和舒適性(Harshness)三個(gè)英文單詞第一個(gè)字母的縮寫，日漸受到消費(fèi)者的重視，汽車的NVH性能已經(jīng)成為顧客購買汽車的主要考慮的因素之一。
NVH性能控制已經(jīng)納入現(xiàn)代汽車開發(fā)過程中。因此，在汽車開發(fā)初期就預(yù)測車內(nèi)振動噪聲水平，提出有效減振降噪方案，降低潛在的振動噪聲風(fēng)險(xiǎn)，可以大大的減少后期整改率，降低開發(fā)成本。
CAE技術(shù)作為汽車開發(fā)前期的NVH性能的重要的、有效的控制手段，正在越來越廣泛應(yīng)用于整車NVH性能開發(fā)中，本文利用HyperWorks前后處理軟件和MSC.NASTRAN求解器進(jìn)行NTF分析，通過對噪聲傳遞函數(shù)中不滿足設(shè)計(jì)要求的峰值進(jìn)行優(yōu)化分析，使得NTF性能得到優(yōu)化和改進(jìn)，并與試驗(yàn)部門一起進(jìn)行方案驗(yàn)證，為轎車NVH性能持續(xù)提升提供支持。
2 NTF方法及原理簡介
車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲為激勵(lì)與噪聲傳遞函數(shù)(NTF)的乘積，在激勵(lì)一定的情況下，通過減少噪聲傳遞函數(shù)可以有效的降低車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲。因此NTF分析在控制汽車噪聲性能方面應(yīng)用廣泛，NTF主要考察車身對底盤、動力系統(tǒng)與車身各附接點(diǎn)的敏感度，車身外各種激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)振動和結(jié)構(gòu)噪聲的特性直接表明車身設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。好的車身設(shè)計(jì)對各支撐點(diǎn)的激勵(lì)敏感度低，即激勵(lì)力引起的振動和噪聲的響應(yīng)值低。
結(jié)構(gòu)噪聲由結(jié)構(gòu)振動引起，駕駛員和乘員艙組成一個(gè)封閉的空腔系統(tǒng)，由于周圍結(jié)構(gòu)一頂棚、前壁板、底板、前風(fēng)擋、后風(fēng)擋、前后四門的內(nèi)板的振動，引起聲腔的空氣壓縮和膨脹，引起聲腔氣壓的波動，從而產(chǎn)生噪聲，分析涉及了結(jié)構(gòu)和流體的耦合分析，結(jié)構(gòu)和流體系統(tǒng)的總體耦合方程表示為：
公式一 結(jié)構(gòu)和流體系統(tǒng)的總體耦合方程
其中，下標(biāo)s表示結(jié)構(gòu)；下標(biāo)f表示流體。
Nf和Ns分別表示流體壓力形函數(shù)矩陣和結(jié)構(gòu)形函數(shù)矩陣。
公式二 真空中的結(jié)構(gòu)模態(tài)
公式三 剛體容器下的流體模態(tài)
結(jié)構(gòu)和流體系統(tǒng)總體方程在模態(tài)坐標(biāo)下解耦的系統(tǒng)動力學(xué)方程，可表示為：
公式四 結(jié)構(gòu)和流體系統(tǒng)總體方程在模態(tài)坐標(biāo)下解耦的系統(tǒng)動力學(xué)方程
通過求解該動力學(xué)方程可以得到動力學(xué)響應(yīng)。
3 分析模型
噪聲傳遞函數(shù)分析的模型包括結(jié)構(gòu)的內(nèi)飾車身結(jié)構(gòu)模型和聲學(xué)空腔模型，內(nèi)飾車身模型主要采用四邊形和少量的三角形殼單元組成，焊點(diǎn)采用CWeld單元，焊縫用RBE2模型，粘膠用實(shí)體單元模擬。動力總成在質(zhì)心位置使用集中質(zhì)量模擬，動力總成的質(zhì)心、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量通過試驗(yàn)得到；內(nèi)飾件采用集中質(zhì)量模擬；所有懸置和襯套使用CBUSH單元模擬。車內(nèi)聲腔模型包括兩部分：空氣和座椅，采用四面體單元進(jìn)行離散，材料采用MAT10定義。有限元模型如圖1所示。
整個(gè)系統(tǒng)不施加任何約束，為自由狀態(tài)，在底盤與車身接附點(diǎn)處分別施加三個(gè)方向的單位載荷(1N)的掃頻激勵(lì)，頻率范圍為20-200Hz。通過考慮車身振動與聲腔耦合，聲固耦合參數(shù)通過ACMODL卡片控制，為了提高計(jì)算效率，使用模態(tài)頻響法計(jì)算單位載荷下駕駛員右耳側(cè)聲壓變化曲線。
圖1 內(nèi)飾車身和聲腔模型
4 結(jié)果分析及優(yōu)化
通過模態(tài)頻率響應(yīng)分析可以得到駕駛員右耳處的噪聲頻率響應(yīng)曲線。把曲線與目標(biāo)曲線進(jìn)行對比分析，對不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)右前擺臂安裝點(diǎn)Z向、發(fā)動機(jī)前懸置X向、排氣前吊耳、左右吊耳不滿足目標(biāo)要求。對不滿足要求的接附點(diǎn)的噪聲傳遞函數(shù)進(jìn)行原因分析。原因分析的方法主要有傳遞路徑分析，接附點(diǎn)動剛度分析、模態(tài)參與因子分析，面板貢獻(xiàn)量分析等。
4.1原因分析
下面以某排氣吊耳為例進(jìn)行說明：排氣吊耳的位置如圖2所示：排氣吊耳的噪聲傳遞函數(shù)如圖3所示，排氣前吊耳的Z向單位激勵(lì)下的NTF曲線在130-180Hz頻帶范圍內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目標(biāo)值，最高峰值在163Hz處，風(fēng)險(xiǎn)較大，需要進(jìn)行優(yōu)化。首先從該接附點(diǎn)動剛度考慮，排氣吊耳的動剛度曲線如圖4所示，該點(diǎn)的接附點(diǎn)動剛度在150Hz-180Hz范圍內(nèi)動剛度也不滿足目標(biāo)值要求。通過噪聲傳遞函數(shù)與動剛度曲線對比發(fā)現(xiàn)，動剛度低是造成排氣吊耳噪聲不達(dá)標(biāo)的原因之一。
圖2 排氣吊耳位置示意圖
圖3 排氣吊耳噪聲傳遞函數(shù)
圖4 排氣吊耳噪聲動剛度曲線
圖5 聲腔模態(tài)參與因子
另外通過模態(tài)貢獻(xiàn)分析，聲腔模態(tài)貢獻(xiàn)如圖5所示。從圖中可以聲腔模態(tài)貢獻(xiàn)最大的是第5階、第9階和第6階。但是修改聲腔模態(tài)很困難，幾乎不太可能。
結(jié)構(gòu)模態(tài)貢獻(xiàn)如圖6所示，最大的是161、158.81、162Hz的模態(tài)。其中模態(tài)貢獻(xiàn)最大的比例為16%，從車身模態(tài)結(jié)果看，很難找到修改方向，但是這些模態(tài)中，副車架的模態(tài)很活躍，可以考慮從副車架的模態(tài)入手。
圖6 結(jié)構(gòu)模態(tài)參與因子
最后從面板貢獻(xiàn)分析，如圖7所示，可以知道，最大的面板貢獻(xiàn)量為19.6%，但是最大貢獻(xiàn)量的面板位于前風(fēng)擋和防火墻處，這兩處的結(jié)構(gòu)不能修改。對于排氣吊耳這個(gè)接附點(diǎn)，從面板改進(jìn)是不可取的。
圖7 面板貢獻(xiàn)分析（紅色圓圈為主要貢獻(xiàn)面板）
4.2NTF優(yōu)化分析
從NTF原因分析可以知道，對于排氣吊耳的NTF峰值問題，可以從提高改接附點(diǎn)的動剛度和提高副車架的模態(tài)人手。由于副車架已經(jīng)定型，修改副車架結(jié)構(gòu)成本較高，采用動力吸振器可以降低3dB，但是效果不是特別好，并且增加成本，最后從加強(qiáng)排氣吊耳接附點(diǎn)動剛度入手，優(yōu)化排氣吊耳的位置，經(jīng)過多次優(yōu)化，找到了效果較好的方案，方案說明和效果如下圖8所示。通過CAE優(yōu)化方案結(jié)果可以知道，在163Hz的噪聲峰值下降了12dB，CAE方案的效果非常明顯。為了驗(yàn)證方案的效果和推動方案的實(shí)施，組織試驗(yàn)部門進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，試驗(yàn)結(jié)果表明采用CAE方案后，振動和噪聲有大幅度降低，充分證明了CAE分析方案的有效性和可行性。
圖8 排氣吊耳方案CAE分析結(jié)果對比
圖9 排氣吊耳方案試驗(yàn)測試結(jié)果對比
5 結(jié)論
本文對某轎車進(jìn)行噪聲傳遞分析和優(yōu)化，通過從接附點(diǎn)動剛度、模態(tài)貢獻(xiàn)量和面板貢獻(xiàn)量入手，較系統(tǒng)分析了噪聲產(chǎn)生的原因，找到解決NTF峰值問題的途徑，成功的解決了設(shè)計(jì)車的NVH問題。降低了設(shè)計(jì)車的NVH風(fēng)險(xiǎn)。并且進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了方案的可靠性和有效性，為方案的實(shí)施提供強(qiáng)有力的依據(jù)。
當(dāng)然，NTF問題本身是一個(gè)有多種原因產(chǎn)生和引起的復(fù)雜的工程問題，與結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔耦合、源點(diǎn)動剛度相關(guān)，但是最重要的是找到NTF峰值產(chǎn)生的原因，對癥下藥，才能較好的解決實(shí)際工程問題。
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本文標(biāo)題：某轎車噪聲傳遞函數(shù)分析與優(yōu)化
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