声子晶体梁在燃料电池车副车架减振中的应用研究

左曙光，谭钦文，孙 庆，文岐华，马琮淦

(同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804)

燃料电池汽车因其动力总成区别于传统内燃机汽车，噪声源已发生变化，且燃料电池动力系统布置也会影响车内噪声的分布及传递方式。图1为燃料电池汽车结构布置图，产生噪声的主要部件包括漩涡风机、氢气辅助系统、空调压缩机及驱动电机等［1］。

图1 燃料电池汽车结构图Fig.1 Diagram of fuel cell vehicle

文献［2］对氢辅系统进行声振分析，认为氢泵是燃料电池汽车内低频噪声的主要来源。文献［3］通过对燃料电池汽车进行整车声振分析表明，低速时车内噪声来源于氢泵及旋涡风机，高速时则多来自驱动电机的振动与电磁辐射噪声。氢泵由于工作转速稳定，故产生的噪声频率固定，主要集中在50～400 Hz低频段;旋涡风机产生的噪声变化较大，主要集中在500 Hz以上中高频段，对低频段也有贡献，噪声频谱具有明显的倍频特性。燃料电池汽车内400 Hz以下噪声主要由氢泵及漩涡风机产生的振动，经副车架传递至车身引起振动，并向车内辐射噪声。衰减该振动，便可降低车内噪声。

声子晶体为由两种或两种以上弹性介质组成、具有周期结构与弹性波带隙特性的功能材料或结构。声子晶体周期结构存在缺陷时，带隙频率范围内的弹性波会被局限在缺陷处，或沿缺陷传播。其中，多振子声子晶体与单振子相比，其带隙特性更丰富。因此，声子晶体尤其多振子声子晶体可用于控制弹性波的传播，所具有的带隙、缺陷态等特性使其在汽车减振降噪上潜在应用前景［4］广阔。

陈源［5］以车身为模拟试验对象，通过研究周期性层状结构对车内噪声影响，验证了声子晶体带隙对车内低频噪声的控制作用。郑玲等［6］用有限元与传递矩阵法研究弹性波在一维周期结构中的传播特性，并分析一维声子晶体在发动机隔振上的应用。赵树恩等［7］将声子晶体应用于梁、板结构中，通过对发动机隔振处理，取得较好减振效果。沈礼等［8］将声子晶体结构引入汽车刹车装置，通过实验验证了声子晶体结构降噪的可行性，在2 000～2 500 Hz范围内声压的降低幅值最大达25 dB，平均降噪量达13 dB以上。文献［9］将声子晶体应用于车身顶棚板件，计算带隙特征，并研究在顶棚板件振动的传递特性，表明中低频衰减达30 dB，其它频率亦有体现。文献［10］综合轮边驱动电动汽车的振动噪声特性，论证了将声子晶体应用于轮边驱动电动汽车的减振降噪中的可行性，为声子晶体在电动车上的减振研究奠定基础。

总之，现有文献对声子晶体及加工成结构件的具体应用研究较少。本文针对燃料电池汽车中低频振动特性，将声子晶体梁应用于副车架中，获得良好减振效果。

1 声子晶体梁在副车架上减振特性研究

据“上海牌”燃料电池车副车架几何模型的主要尺寸及特征，建立副车架有限元模型，定义的单元属性及材料参数，见表1。

表1 副车架模型主要材料参数Tab.1 The material parameters ofSubframe model

考虑燃料电池轿车中低频振动主要激励源为氢泵、电机、风机，在燃料电池汽车的位置为副车架横梁中间，故在该处加载激励。由于只有上面四个凸台与车身相连接，选取该四点振动的平均能量为输出研究其传递特性，有限元结构见图2。

图2 副车架输出输入点及载荷示意图Fig.2 Input and output points of thesubframe and loads diagram

考虑副车架自身结构及激励位置，在副车架中间横梁上添加周期性振子构成声子晶体梁，其中横梁宽度50 mm。有限元结构见图3，以传递特性评价减振特性。

图3 添加多振子声子晶体结构后的示意图Fig.3 Added multi-oscillator phononic crystalsstructure diagram

1.1 单振子声子晶体梁减振特性分析

据文献［4］知，随振子质量块密度的增大，第一振动带隙的起始、截止频率均逐渐减小，而带隙宽度逐渐增大，为增加带隙宽度，选密度较大的材料铜。随包覆层弹性模量的增大，第一振动带隙的起始、截止频率均逐渐增大，带隙宽度逐渐增大。需选适当的包覆层弹性模量，才能既保证带隙起始频率足够低，亦保证带隙范围足够宽，故选材料为橡胶。单振子声子晶体梁见图4。结构参数为:r0=0.02 m，r1=0.025 m，r2=0.027 m，r3=0.055 m，l=0.02 m。

图4 单振子声子晶体梁结构示意图Fig.4 The single oscillator phononiccrystals beam structure diagram

图5 添加声子晶体前后传递特性对比Fig.5 The transfer characteristic before and after adding the phononic crystal

据副车架本身结构添加激励，在有限元软件Nastran中进行频率响应分析结果见图5。

由图5看出，在182～250 Hz，260～310 Hz频段内衰减较大，平均达10 dB，部分频段衰减更高，声子晶体带隙衰减特性明显，虽附加约2.9 kg质量，但仍起到较好效果。

1.2 多振子声子晶体梁减振特性分析

多振子声子晶体梁较单振子声子晶体梁带隙特征［4］更丰富，在低频段可获得较宽的带隙，通过选取适当参数，可获得更好的减振降噪特性。双振子声子晶体梁将两振子紧密排布，并在梁上做周期性布置，为多振子梁的基本形式。研究其减振特性有利于探究多振子梁的减振特性。以双振子声子晶体梁为例研究其在燃料电池汽车副车架的减振特性。

材料仍选择铜与橡胶，双振子梁结构见图6，振子结构参数与单振子结构参数相同。

图6 多振子声子晶体梁结构示意图Fig.6 The multi oscillator phononiccrystals beam structure diagram

图7 添加声子晶体前后传递特性对比图Fig.7 The transfer characteristic before and after adding the phononic crystal

在Nastran中进行频响分析，结果见图7。由图7看出，多振子声子晶体结构与单振子声子晶体结构相比，在绝大部分频率处传递特性差别不大，但部分频段衰减更高。多振子梁在82～106 Hz频段衰减较大，多出一条带隙，说明在低频段多振子声子晶体减振特性更丰富。

燃料电池轿车的空气辅助系统常用工况为3 000 r/min，基频为50 Hz，在基频的倍频处出现较大峰值，而仿真的多振子声子晶体梁模型在100 Hz、200 Hz、300 Hz、350 Hz处出现较大衰减峰值，平均达25 dB，极大衰减了峰值频率处的振动。

由以上分析可认为:

(1)声子晶体梁在0～400 Hz范围内对副车架振动有较好的衰减作用，平均达10 dB以上，部分频段更高;

(2)多振子声子晶体梁与单振子相比，部分频率衰减较大，表现出其对振动的良好衰减特性。

(3)多振子声子晶体梁因其丰富的带隙特征，能较好衰减燃料电池空气辅助系统在倍频处的振动峰值。

2 副车架减振影响因素分析

文献［4］表明，声子晶体的基体密度减小，振子质量块密度增大，晶格常数减小及合适的包覆层弹性模量能使声子晶体梁在低频段具有良好的带隙特征及较宽的带隙频段。故在振子材料、形式一定情况下，探究振子布置、纵梁布置及副车架厚度对声子晶体梁减振特性影响。

2.1 振子排列结构对减振特性影响规律

声子晶体的低频局域共振带隙是基体中长波行波与局域振子共振模式之间的相互耦合作用所致［12］。而有限周期结构相互耦合作用有限，为使效果最佳，须使整个声子晶体系统达到动态平衡。

图8为附加单振子声子晶体梁结构的副车架在起始频率186 Hz时的振型图，从左向右将振子依次编号为1，2，3，…，14，则声子晶体振子结构中心振幅最大，依次向两边递减。为使整个声子晶体系统达到动态平衡，去掉1，2号振子。

图8 单振子声子晶体梁186 Hz振型图Fig.8 The 186 Hz modes of singleoscillator phononic crystals beams

分析的传递特性结果见图9。由图9看出，去掉1、2号振子后的传递特性与去掉前相比，传递特性在186 Hz、250 Hz左右的峰值频率降低了约20 dB，且在其它频率处也略有降低，衰减特性较好。

图10为去掉1、2号振子的声子晶体梁在186 Hz的振型图。对比图10与图8看出，去掉1、2号振子后的整个声子晶体系统压缩与拉伸部分更均匀，动态平衡性更好。

图9 去掉1、2号振子与原始单振子声子晶体梁传递特性对比Fig.9 The transfer characteristics of the origin single-oscillatorphononic crystals beams and phononic crystals beams without.1，2 oscillators

图10 去掉1、2号振子声子晶体梁186 Hz振型图Fig.10 The 186 Hz modes of phononic Crystalsbeams without two oscillators

在实际设计应用声子晶体的具体结构中，不仅需考虑材料参数、结构参数影响及周期性结构数量影响，且应据共振振型考虑整个声子晶体系统动态平衡性，以保证声子晶体传递特性减振效果达到最好，在振子数量差别不大情况下，并非周期性结构越多效果越好。

2.2 纵梁布置对减振特性分析

研究副车架中纵梁的布置对副车架减振特性影响。对纵梁编号见图11。

去掉1、2、3号纵梁，其它保持不变。探究结构对副车架减振特性影响，结果见图12。

图11 副车架纵梁编号Fig.11 The number of subframerails

总之，副车架中纵梁结构对传递特性影响较小，但在某些频率(250 Hz，350 Hz)处也会引起峰值频率的偏移，此因车架本身结构改变引起模态频率改变，而又在传递过程中被激发的结果。

图12 去掉梁与原始传递特性对比Fig.12 Contrast of the original transfer characteristic and that without beam

由图12看出，去掉离所加激励最近的1号纵梁较2号、3号梁与原始传递特性相比，峰值频率偏移更大，而去掉3号梁对模型传递特性，影响微乎其微，故离激励较远的纵梁对副车架传递特性影响较小。

2.3 副车架厚度对减振特性影响

原始副车架模型中壳单元厚度改为2 mm，其它不变，对传递特性影响结果见图13。

图13 副车架厚度对减振特性影响Fig.13 The influence of the subframe thickness on the vibration reducing characteristic

由图13看出，随副车架厚度的减小，在100 Hz处，衰减范围衰减幅度均增大，由82～106 Hz到82～112 Hz，再到82～116 Hz，衰减范围由平均15 dB到20 dB，再到25 dB。而在186～300 Hz处，两种减小的厚度均表现出相同规律，衰减幅值相对原始均增大5 dB以上。但衰减区域有所变化，此因为改变副车架厚度，亦改变了自身的结构模态及传递特性，造成峰值频率的偏移。

3 结论

本文通过研究声子晶体梁在燃料电池轿车副车架减振特性，分析单振子、多振子声子晶体梁、振子排列结构、副车架纵梁布置、副车架厚度对副车架对副车架传递特性影响规律，结论如下:

(1)声子晶体梁在用于燃料电池轿车副车架中，在一定程度上可起到减振作用，平均衰减达10 dB，部分频率更高;多振子声子晶体梁与单振子声子晶体梁相比，低频范围内带隙特征更丰富。

(2)在设计应用声子晶体的结构中，不仅需考虑材料参数、结构参数影响及周期性结构数量影响，而且需据共振振型考虑整个声子晶体系统动态平衡性，以保证声子晶体效果达到最好。

(3)随副车架厚度的减小，衰减范围及衰减幅度均增大，表明声子晶体在质量小的零部件上更易发挥带隙衰减特性。随汽车的轻量化及刚度大密度小的新材料发展，必会使燃料电池轿车副车架质量下降，可为声子晶体用于汽车的前景更宽广。

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