某SUV车型内饰车身噪声传递函数优化分析

李书阳，常光宝，梁静强，吕俊成

(上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西柳州 545007)



某SUV车型内饰车身噪声传递函数优化分析

李书阳，常光宝，梁静强，吕俊成

(上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西柳州 545007)

为提升某SUV车型NVH性能，利用Hypermesh软件建立了有限元模型，采用Radioss软件中的频率响应分析方法进行了噪声传递函数仿真计算分析；然后通过模态分析确定了备胎仓区域是对噪声传递函数影响较大的面板；对备胎仓区域排气系统吊架进行了优化设计。结果表明：优化方案满足设计目标要求，提升了整车NVH性能，降低了开发风险，节约了开发成本。

声固耦合；内饰车身；噪声传递函数；有限元方法；优化

0　引言

随着人民生活水平的不断提高，人们对汽车的要求也越来越高，舒适性已经成为和动力性能、安全性同等重要的关注要素，而表征舒适性的汽车NVH(Noise、Vibration和Harshness)性能就成为当前研究的热点问题。其中，汽车噪声问题主要包括空气直接传递的空气噪声和因结构振动引起的结构噪声等，它不仅会造成环境污染，还会影响驾驶员行驶的专注程度,降低车辆的行驶安全，更有甚者会对车内人员的精神和生理造成危害。车身噪声传递函数(Noise Transfer Function，NTF)表示施加于汽车车身的输入激励载荷与车内噪声参考点输出噪声之间的对应函数关系，对车内噪声控制有着重要的影响。车身噪声传递函数能够有效地在汽车设计阶段进行声固耦合分析评估，从而尽早发现和改进潜在的设计问题，也可为车内噪声预估和控制提供依据，目前已在NVH性能开发中广泛应用。

以某SUV车型为研究对象，建立内饰车身(Trimmed Body，TB )模型，采用频率响应分析方法及模态分析方法，开展了噪声传递函数分析及优化设计研究工作。

1　声固耦合理论

将车身结构视为弹性体，则车室空腔的声压变化会激励车身壁板产生振动，而车身壁板的振动又会通过对临近空气的压迫改变车室内的声压。在考虑耦合效应的情况下，将车身壁板振动作为声腔激励源的边界条件，车内声腔的有限元方程可以表示为：

(1)

式中：p为各节点的声压向量；S为结构声学耦合矩阵，表示流体与结构的相互作用，且:

ST=∫ANnTN′TdA

(2)

式中：A为流体与结构的耦合面；nT为边界的单位法向量；N为声压形函数；N′为结构的位移形函数。

受到空气振动作用的影响，车身结构的动力学方程式可以写为：

(3)

式中：Ms、Ks分别为车身结构的质量矩阵和刚度矩阵；u为结构位移向量；pb为边界节点上的声压向量；Fs为施加在结构上的广义外力向量。

综合式(1)和式(3)，得到不考虑阻尼情况下的声固耦合系统有限元方程式：

(4)

求解式(4)的特征值与特征向量，就可以得到声固耦合系统的模态频率与振型。

2　NTF有限元分析及优化

2.1建立声固耦合有限元模型

声固耦合有限元分析模型包括车身结构的TB模型和车身声学空腔有限元模型两部分。TB模型包括白车身、仪表板、转向系统、闭合件、前后保险杠、座椅骨架以及与车身相连的附件等，对刚度影响较小的一些部件用集中质量来模拟；声学空腔的有限元模型用有限元流体的单元来模拟，包括乘员舱、座椅和行李箱空腔三部分的有限元模型。图1表示了声固耦合模型的构成。

选取某SUV车型内饰车身作为分析对象，利用Hypermesh软件进行有限元网格建模，钣金件选用Shell单元类型，单元尺寸10 mm×10 mm；选用Acm单元模拟焊点连接；螺栓连接选用Rigids单元；对单元赋予相应的结构属性和材料属性，钣金件材料参数中，弹性模量为2.1×105MPa，材料密度为7.83×103kg/m3，泊松比为0.3。将自由边界设定为有限元仿真边界条件。在车身关键接附点处分别施加X、Y、Z3个方向的动态单位激励力，激励点位置如表1所示，分析频域为10～300 Hz，运用Radioss 求解器中模态频率响应算法进行计算，得到乘客耳边的声压响应。其中车内噪声参考点根据国标GB/T 18697-2002《汽车内噪声测量方法》的规定选取，响应点位置见表2。由声压级计算公式即可转换为乘客耳旁噪声声压级响应SPL：

SPL=20lg(p/pre)

式中：p为乘客耳旁声压值，pre为参考声压2.0×10-5Pa。

表1　激励点位置

表2　响应点位置

2.2NTF结果分析

某SUV车身声压级响应最大值超出设计目标70 dB要求的噪声传递函数曲线如图2所示。可以看出：在重点关注的20～200 Hz激励频率范围内，排气第六吊点X向激励到驾驶员右耳、副驾驶左耳、后排左乘客右耳、后排右乘客左耳的声压级响应最大值依次为72.8、72.2、72.7、79.7 dB，激励频率依次为142、142、142、144 Hz；排气第六吊点Z向激励到驾驶员右耳、副驾驶左耳、后排左乘客右耳、后排右乘客左耳的声压级响应最大值依次为73.5、72.6、71.5、78.8 dB，激励频率依次为142、142、200、144 Hz。由此可以得出，该型汽车的声压级响应对乘坐的舒适性将产生较大影响，为此，应予以优化改进。

2.3优化

车身噪声传递函数反映的是车身结构与内部空腔间的声学特性，所以对其本身优化即可以达到控制车内结构噪声的目的。由图2可知，在142、144、200 Hz这些频率的激励下，且主要集中在142 Hz激励下可能存在激励与车身结构的共振现象。通过模态分析发现：后地板备胎舱区域在142 Hz频率下存在较明显振型，见图3。针对出现峰值的不同情况，分别采用模态参与因子和壁板贡献量分析方法，找出贡献比较大的部件和壁板，最后问题点也集中在后地板备胎舱区域。综上所述，需对后地板备胎舱区域进行结构优化设计。

综合考虑车身布置、模具开发、制造成本等，优化方案选择将排气系统第六吊点吊架延长至与后地板横梁搭接，后地板与吊架搭接处做相应小幅改动，优化详情见图4。由图5可知，优化后后地板备胎舱振型有明显改善。

表3是排气系统吊架优化前、后排气第六点X、Z向激励时乘客耳旁声压级在整个频率范围内最大值的对比数据，图6则是排气第六点X、Z向激励到乘客耳旁的噪声传递函数曲线。从表3及图6可以看出：排气系统吊架经优化后，排气第六点激励到乘客耳旁声压级响应最大值及噪声传递函数曲线有显著改善，在整个频率范围内，乘客耳旁声压级响应均低于70 dB，满足设计目标要求。

3　结论

(1)通过有限元模型对某SUV车型噪声传递函数进行了仿真分析，发现了排气系统第六吊点作为激励点时乘客耳边声压级响应超出设计目标要求的问题；

(2)通过对模型进行模态分析及模态参与因子和壁板贡献量分析确定了备胎舱区域排气系统吊架作为潜在更改目标；

(3)通过备胎舱区域排气系统吊架的优化设计，乘客耳旁声压级响应最大值及噪声传递函数曲线有显著改善，满足设计目标要求。

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Analysis and Optimization for Noise Transfer Function of the Trimmed Body of a SUV Car

LI Shuyang, CHANG Guangbao, LIANG Jingqiang, LV Juncheng

(SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545007, China)

Taking a sport-utility vehicle trimmed body as the research object, the finite element model was established based on Hypermesh software, the frequency response analysis method in Radioss was used to make noise transfer function simulation analysis. Based on modal analysis, a panel which had a bigger impact on the noise transfer function was found. The spare tire warehouse area optimization design was carried out on the exhaust system hanger.The results show that the optimized scheme satisfies the requirement of design goals, the NVH performance is improved, the development risk is reduced, the development cost is saved.

Acoustic-structure coupling；Trimmed body；Noise transfer function；Finite element method；Optimization

2016-04-20

李书阳，男，硕士，工程师，主要从事汽车NVH仿真分析研究工作。E-mail：shuyang.li@sgmw.com.cn。

U461.4

A

1674-1986(2016)07-015-04