车身NVH性能有限元分析与实验分析对标

2012-11-28张国宁李洪亮夏仕超夏洪兵

湖北汽车工业学院学报 2012年1期

张国宁，李洪亮，夏仕超，夏洪兵

（1.安徽农业大学,安徽合肥230036；2.中国汽车技术研究中心，天津300162）

汽车NVH是衡量汽车舒适性的一个重要指标，随着人们生活水平的提高，对汽车舒适性的要求也不断提高，这就对汽车的NVH性能提出了更高的要求。NVH指的是噪声（noise）、振动（vibration）、粗糙度（harshness）。所做的工作主要是对刚度、质量、阻尼的匹配与优化。在前期的设计过程中一般都使用CAE对模型进行优化整改，在中后期主要通过试验分析整改与优化。

对标的目的是借助试验结果标定CAE模型，保证CAE模型的正确才能得到准确的分析结果，进而进行结构优化。

1 NVH性能的主要分析手段

设计优化主要是针对汽车结构整改和优化，主要的分析手段有模态分析、刚度分析、动刚度分析、频响函数分析以及传递函数分析等等。

1.1 模态分析理论

考虑

假设其解为

代入得到特征方程

或

1）对N自由度系统，有N个固有频率（ωj，j＝1，2，…，N）、特征频率、基本频率或共振频率。

2）与固有频率ωj对应的特征向量称为自然模态或模态形状，模态形状对应于结构扰度图。

3）当结构振动时，在任意时刻，结构的形状为它的模态的线性组合。

模态试验分析依靠动态测试技术对某个系统进行测量，有系统的输入和输出数据信号处理，采用模态参数辨识法对实测到的每个传递函数进行模态参数辨识，从而得到被测系统的固有特性。[1]

1.2 动刚度

刚度是指机械零件和构件抵抗变形的能力。刚度分析主要是分析变形量大小。汽车在运行的时候才考虑NVH性能，所以一般使用动刚度分析。

把系统方程的时间域方程转换到拉氏域（复变量p），并假设初始位于和初始速度为零，则得到拉氏域方程：

令（Mp2+Cp+K）＝Z（p），则有

式中：Z为动刚度。动刚度分析是指在动载荷下抵抗变形的能力。

1.3 传递函数分析

变换式（2）可得到传递函数的定义：

传递函数分析主要有振动传递函数分析和声传递函数分析，目的是找到传递路径和激励源。

1.4 频响函数分析

沿频率轴算出的传递函数叫做频率响应函数（FRF），简称频响函数：

频率响应函数是传递函数的一个子集，它是通过频率轴（即jω＝0，或σ＝0）的截面。频率响应函数中复共轭部分（即式（8）右端后一部分）的影响在共振频率（ω＝ω1）附近可以忽略，因此单自由度系统的频率响应函数常常近似为[2]

2 NVH分析方法介绍

目前在NVH方面研究主要以激励源的振动频率分类。大体分类如下：

1）低频NVH分析，频率范围为0～150Hz，主要体现为结构的振动噪声。介绍几种常规分析方法：模态分析，一般有限元分析的模态值比实际测量值低；灵敏度分析，通过灵敏度分析可以确定车身各个部件对车身模态的贡献；强迫响应分析（怠速/车轮/路面振动）、主动轮/路面噪声分析和结构声学分析等等。2）中频NVH分析，频率范围为150～500Hz，一般是结构和空气噪声综合产生的。3）高频NVH分析，振动频率在500Hz以上，主要体现为空气的振动噪声。分析主要应用的时统计能量法（SEA）。[3]

NVH的研究方法主要是CAE分析和试验分析，主要应用于模态分析、刚度分析、动刚度分析、声腔模态、传递函数分析，频响函数。对于汽车的NVH方面来说，主要环节是白车身的刚度分析、模态分析、声传递函数、振动传递函数分析、转向系统模态分析、动力总成的模态、悬置支架的模态分析等等。平顺性分析主要有脉冲载荷分析和随机响应分析。随机响应分析是计算汽车通过路面时的响应，将路面不停度的功率谱密度作为4个车轮的输入，计算多输入、多输出随机响应，同时还可以计算出声音的加权均方根值，以评鉴汽车的平顺性。

2.1 有限元模型的基本分析要求

为减计算模型规模，在保证计算精度的前提下，可以对有限元模型进行简化和假设：1）忽略螺纹机器功能孔（润滑油加注孔、放油孔等），因为其易引起网格畸变其对结构性能影响很小；2）以直角代替圆角，以减少网格数目；3）假设焊接区域与木材料强度一直，并符合各项同性。

建立一个比较精确合适的整车模型是NVH分析的前提。比如白车身，利用刚性单元处理焊点，用弹簧单元代替称身与风窗玻璃和车身之间的粘合。对建好的白车身模型可进行静态和模态计算，以确定和不断改进其静态、动态刚度。

2.2 整车和部件NVH水平测试

振动测试：这车状态下，座椅振动、前地板振动、方向盘振动、后视镜振动大小（RMS）和方向、主要峰值频率。用于转速相关的发动机阶次关系、频谱表示。

噪声测试：主、副驾驶员和后座椅成员的耳旁车内噪声（1/3倍频程）和声品质（阶次频率）、频率和随转速变化的关系。通过噪声测试（大小、频谱）。开关门声音频谱。发动机排气噪声、消声器口噪声、进气噪声、风扇噪声等等。

3 某车身声学传递函数有限元与试验分析

在某微车第1阶段开发设计过程中对白车身的声学传递函数进行有限元分析，为了验证其有限元分析的结果，在试制接到白车身试验进行验证分析。

3.1 有限元分析

在有限元分析应充分考虑有限元模型的处理、零部件之间材料的设定、网格的密度、连接点合理性、焊点处理发、激励点和响应点设定等。图1是有限元网格处理模型。

图1 有限元模型

此模型是用声腔模型加Trimed-body模型建立起来的。经过分析之后的结果如图2所示。在36Hz、86Hz、111Hz、141Hz出现峰值。

图2 有限元分析结果

3.2 试验数据分析

试验结果分析如图3所示，由图中曲线可以看出在36Hz、90Hz、113Hz、143Hz 也都有响应的峰值，虽然与有限元分析的有一定的偏差，但是偏差都是在可以接受的范围之内。

图3 试验数据分析

3.3 有限元与实验数据分析对标

通过有限元的分析和试验数据的分析可以发现在相应的峰值范围内有峰值存在，但是有偏差。检查试验测试激励点和试验测试数据并未发现问题，因此应该是CAE模型或者设定存在问题。考虑CAE有限元模型在副车架和车身的连接衬套，修改使用刚性单元连接，并且修改车内声腔模型的网格密度之后，CAE分析的结果与试验结果对比之后，较之于前次分析在低频处有稍微变化，但是尚不理想，下步工作继续查找原因。