乘用车NVH特性的车身地板优化设计

欧阳军、李直腾、保振安

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 545007)

0 引言

近年来，随着人们生活质量的提高和汽车的不断普及，人们对于车辆NVH性能等要求也越来越大。乘用车的NVH性能影响乘客的乘车舒适感，也逐渐成为衡量一辆汽车品质好坏的硬性指标，是汽车厂家提升市场竞争力的主要途径，因此被各大主机厂高度重视。

本文针对在乘用车进行主观比较时，发现在处于高速行驶状态下，乘用车的地板会存在振动过大的情况，可能会导致乘客产生一定的不适感。同时，地板的振动还会传递给成员，进而会影响车辆的性能，如何能够有效避免这种地方振动，并提高乘用车的性能这是当前急需解决的问题。

乘用车在提升NVH性能过程中，工作人员在进行主观评价时发现，乘用车在处于120 km/h的车速行驶时，车身地板存在较大幅度的振动，进而影响到乘用车的分类，针对性能这一问题，我们先对乘用车产生的异常振动现象进行道路测试，采集车身地板的振动加速度，同时利用数据分析构建乘用车车身的有限元模型，采用阶次分析法和模态分析这两种方法，最终发现，引起车身和车架振动是由于传动轴和发动机的激励频率与车身地板的模态频率将接近，进而导致产生共振，导致乘用车的NVH性能降低。

为了能够缩短开发周期和生产成本，我们主要从车身地板的横梁结构的优化展开分析，改变模态分布使得地板的模态更为合理，从而能够解除共振的现象。根据前面验证的车身地板的有限元模型，通过OptiStruct对地板模态的各个横梁进行灵敏度分析，再提出相关的几个优化方案。除此之外，车身减振降噪，首先要改善车身的密封性能，其次合理设计车身结构，最后还需要合理布隔音阻尼材料，本文通过软件分析还对车身地板的阻尼材料进行合理布置，并验证了优化方案的有效性。

1 车身地板的仿真分析

利用软件建立了地板的模型图，并参考了车身地板各个组件的材料和厚度，同时设定各个钣金组件之间的焊接方式，约束模型的四周，并模拟地板固定在车身上的状态，对地板进行单位激励，模拟轮胎以及发动机所产生的激励。

采用有限元建立模型对乘用车展开有限元建模，考虑到车身点焊连接作用，我们采用weld模拟，利用Beam进行螺栓连接，利用Adhere模拟粘接连接。通过模态分析与地板后部振动发现，它的频率处于60 Hz的模态时存在2个关键的模态，分别是41和53阶。

其次我们对车身的地板进行测试，由于乘用车一般振动是整车状态下的，因此我们需要测试整车状态下地板的模态，通过数据获得实车状态下地板的各阶建模，我们可以将测试的结果与车身地板的计算模态结果进行比较。通过数据分析，我们可以看出2种分布模态的频率仿真计算是与实验值误差低于3%的，并且其仿真振型和试验振型结果一致，其他的模态分析也吻合。因此可以利用这种现有模型对乘用车车身地板结构进行仿真优化，我们利用地板试验测试和建立了有限元模态仿真，从2种结果上来看乘用车车身体板后部存在两个结构模态，其频率为60 Hz处存在两局部模态，是与发动机的二阶工作激励频率和传动轴的1.28阶激励频率范围内的，在乘用车的发动机完成优化设计之后，会与地板发生共振现象，进而导致车身地板出现严重的振动。从噪声分析结果来看，在无阻尼的状态下，在60 Hz的频率范围内，前排驾驶员右耳位置的声压值最高，是58dB（A），而后排乘客的右耳位置的声压值最大为58.2 dB（A）。

2 车身地板的优化设计

要想从根本上解决车身地板后部产生的共振，需要将地板后部的局部模态频率进行移除，并且使其尽量避开发动机和传动轴的激励频率。为了能够实现地板结构优化工作，我们先对地板模态进行灵敏度分析，从而确定优化设计方向。首先，在对地板模态进行分析过程中，我们需要对模型四周进行约束，模拟地板固定在车身上的状态，对地板要施加单位激励，模拟发动机以及轮胎可能产生的激励。

结果发现，对该车型的车身地板无阻尼材料布置时，振动情况比较明显。因此在优化时，可以根据钣金振动的具体位置，合理采用阻尼材料，进而减小车身地板的振动速度，减少噪音的传递。

根据VA ONE软件分析对地板的结构进行优化，同时对现有的阻尼材料产品信息进行分析，确定了当前所使用的阻尼材料的阻尼因子以及弹性模量，泊松比等因素，经过分析我们获得了地板振动速度分布以及噪声的分布情况，并于原始的数据进行对比。

从振动对比数据来看，增加阻尼材料之后，与原始的振动状态进行比较发现地板振动明显减少，说明给车身地板增加阻尼材料之后，钣金部件的振动速度会明显降低，这种优化方案是可以达到减振的目的。

从噪声比较来看，在频率为30～200 Hz的范围内，前排的驾驶员右耳处的声压值最大可以是48 dB（A），而后排的乘客右耳声压值最大是49.8 dB（A），相比原始的数据来看，增加阻尼材料后，前后排的乘客右耳的声压值均降低了10 dB（A），因此从优化方案的数据分析对于减少噪声也起到了积极作用。

3 整车试验验证

我们针对车身地板振动情况进行整车试验，在车身地板粘贴多个加速度传感器。当乘用车的车速分别为100 km/h、110 km/h、120 km/h时，经过优化之后的地板在60 Hz的频率范围内所获得的峰值有一定程度的减弱，基本可以消除共振的现象，而且将所有采集到的信号进行比对之后，周边的加速度采集信号振动频率也会得到一定程度的降低。最后我们对地板的后座椅附近同一点处的振动情况进行比对，发现经过优化之后的地板的振动峰值有所减弱，说明这种优化方案对于改善地板共振是十分有效的。

4 结束语

本文通过对乘用车地板共振展开分析，并通过试验测试地板的2个局部模态发现，在频率为60 Hz处，是位于发动机和传动轴的激励频率范围内，进而引起了地板的共振现象。为了能够解决这一问题，通过实车道路测试以及模型的模态分析找到共振的主因，然后用模态灵敏度分析制作优化成较为合理的优化方案。通过实验结果表明，这种结构优化方案是十分有效的，能够为其他工程问题提供实践参考。