车用阻尼板辐射噪声建模分析方法技术研究

刘永杰，邓雅琼，栗 娜，孙新波，孙富贵，张 智

（1.北汽研究总院新技术研究院，北京101300；2.苏州豹驰声学科技有限公司，江苏 昆山215334）

近年来随着新能源汽车的兴起，整车轻量化设计[1]直接影响到新能源汽车的续航里程，传统的过盈设计无法满足新能源车的实际续航里程要求，为此整车轻量化设计成为一种趋势（未来整车轻量化及材料应用如图1所示），整车轻量化设计及正向开发主要集中在以下3个方面：

(1)车身结构材料的轻量化及材料承载能力的提升；典型的有碳纤维车身[2]、铝合金车身[3]、高强度合金钢[4]等；

图1 材料在整车轻量化中的应用发展趋势预测[3]

(2)车身结构的轻量化设计[5]；典型的有车身侧人为增加开口设计、冲压件的厚度降低及局部加强设计等；

(3)车身附件的减重优化设计[6]；典型的有阻尼层的布置优化[7]、车身密封件设计优化、新型阻尼材料及吸声内饰材料设计开发等。

轻量化设计必然对整车的综合性能造成一定的影响，其中整车的综合性能主要体现在安全性、动力性、操纵性、舒适性；其中对整车舒适性影响最大的就是整车NVH性能。NVH性能是客户对汽车最直接的感受，NVH 问题中的结构噪声是由振动引起的，在车身上布置阻尼材料[7]是控制结构噪声的主要方法之一。通过合理的选择阻尼材料，优化布置方法，可较好地改善汽车的振动噪声性能。但是，阻尼材料在改善汽车性能的同时会带来额外的附加质量，这就对车身阻尼材料的布置方案提出了更高的要求。

文中通过对沥青基黏弹性阻尼材料的悬臂梁测试[8]，获取了该阻尼材料的技术参数（杨氏模量及随频率变化的损耗因子），结合有限元分析方法，针对某车用阻尼钢板进行有限元模型搭建[9]，采用测试手段验证了该分析结果的可靠性；从而为车身阻尼钢板的建模及分析提供了较好的思路，可为整车轻量化设计及正向开发提供有利的技术支持，降低整车轻量化设计开发成本。

1 阻尼板振动有限元理论及建模

1.1 多自由度系统动力学方程介绍

车用阻尼钢板的建模，其主要分析环节为阻尼材料对阻尼钢板的振动性能的影响，在建模过程中，需要对阻尼材料的阻尼效果进行准确的建模；采用有限元分析理论，将结构件进行简化，等效为多自由度系统，并采用多自由度系统的强迫振动方程进行描述，如式（1）所示[10]

其中：M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，P(t)为施加载荷。

黏弹性阻尼材料的阻尼特性可以简化为线性阻尼，因此在其阻尼参数处理的过程中，将采用线性等效的质量矩阵及刚度矩阵进行简化，对于阻尼材料本身，采用复模量及密度对其进行参数表征。

1.2 黏弹性阻尼材料参数表征

根据上述的结构动力学方程，将黏弹性阻尼材料采用多自由度线性系统方程进行简化，最终将黏弹性阻尼材料的参数表征为复模量及其密度；采用国标[8]中提到的结构损耗因子η对阻尼材料的阻尼性能进行表征，其与阻尼材料的复模量之间的关系如式（2）所示[11]

因此，阻尼材料的复模量可以与结构损耗因子进行相互转换，从而作为结构有限元分析及建模的输入。

2 阻尼板噪声测试台介绍及其FEA建模

2.1 阻尼板噪声测试台工作原理介绍

车用阻尼钢板辐射噪声测试台由车用内饰材料及箱体合金组成，其中阻尼钢板按照实际车用钢板的厚度及材料牌号进行加工，阻尼材料与钢板之间的连接工艺与车上实际工艺相同。阻尼钢板与箱体之间采用密封胶泥进行减振及密封处理，使得阻尼钢板具备近似自由状态的边界条件，并对外部噪声向内部泄露进行仿真；测试台具体测试原理及台架实物如图2所示。

图2 阻尼板辐射噪声测试台

根据图2可以看出：通过激振器采用白噪声信号对阻尼钢板进行全频段激励，钢板与激振器的载荷通过力传感器进行采集，内部辐射噪声通过传声器进行采集；将力信号录入有限元分析模型，作为载荷激励，将辐射噪声信号输出作为有限元建模仿真分析对标信号。

2.2 阻尼板噪声测试台FEA建模

基于测试台的实际构型，采用声学有限元分析方法对其进行FEA 模型搭建，采用有限元网格进行内饰材料（PET 棉）建模，通过驻波管测试台架[12]对PET棉进行吸声系数测试，获取PET棉的吸声参数，作为有限元模型输入；阻尼钢板噪声测试台FEA 模型如图4所示。

图3 阻尼板辐射噪声测试FEA模型

其中，对#304不锈钢板采用壳单元进行建模，对阻尼材料采用实体单元进行建模，对PET 棉及内部空气基于声学单自由度实体单元进行建模；对激振器载荷基于台架实际测试的载荷数据进行录入分析。

3 阻尼板辐射噪声模拟及测试对标

3.1 阻尼板辐射噪声模型参数介绍

基于上述阻尼板噪声测试台FEA 建模方法，将阻尼钢板的材料参数作为输入数据根据国标[8]进行测试，测试台架如图4所示。

图4 某阻尼材料杨氏模量及损耗因子测试台

测试结果如表1所示；其中阻尼材料的损耗因子测试结果如图5所示。

表1 阻尼钢板材料参数

图5 某阻尼材料损耗因子特性曲线

基于图4数据可以看出，阻尼材料的损耗因子为一条随频率变化的曲线，意味着在进行振动噪声分析的过程中，材料的阻尼效果随频率变化而发生变化，其特性与传统的结构材料不同；基于图5测试材料损耗因子，对阻尼材料的复模量进行参数定义，复模量的计算结果如图6所示。

图6 某阻尼材料复模量曲线

3.2 激振器激发载荷

基于图2的测试原理图，在阻尼板与激振器之间采用力传感器进行载荷测试，并将该载荷测试数据作为FEA 模型仿真分析的输入载荷，具体测试结果如图7所示。

图7 激振器作用于阻尼钢板载荷

3.3 阻尼板辐射噪声测试对标

基于上述的输入参数及2.2 小节的阻尼板辐射噪声模型，对传声器位置的噪声进行分析计算，其计算结果与测试结果对比如图8所示。

由图8可以看出：在准确测量阻尼材料及内饰材料参数的情况下，采用FEA 建模分析方法，可以精确模拟阻尼板的辐射噪声。

4 结语

通过对某沥青阻尼材料制备的车用阻尼钢板进行有限元仿真分析并结合台架测试结果进行对标验证，可以得到以下结论：

(1)在具备准确的材料参数及激励载荷的情况下，采用FEA 建模方法，可以有效仿真阻尼钢板的辐射噪声，其仿真分析结果与实测结果吻合度较高，可为整车车身轻量化设计及正向设计开发提供依据；

(2)除此之外，基于同样的分析方法及设计理念，在不具备激励载荷的情况下，在车身前期设计阶段，可以通过采用有限元分析方法对阻尼材料进行辐射噪声性能评估及材料供应商的删选，降低产品设计环节的沟通成本及样品测试验证成本。