车身声腔模态有限元分析方法研究

卢元燕，郏超，原孝菊

车身声腔模态有限元分析方法研究

卢元燕，郏超，原孝菊

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

车身声腔模态是整车NVH性能设计的重要因素，声腔模态的准确分析对前期性能设计具有重要意义。文章对车内声腔模态的建模方法进行了深入研究，对现有三种声腔建模方法进行对比，提出了一种新的考虑仪表台下部空气流通的车身声腔模态分析方法，并通过模态试验进行了实际测试，试验结果验证新方法具有较高准确性。

声腔模态；车身；有限元分析；模态试验

引言

当今消费者对汽车舒适度越来越重视，汽车NVH（噪声、振动、舒适性）性能已经成为影响顾客购车的一个重要因素。汽车车内噪声作为汽车NVH的重要性能指标之一，消费者对该要求也更加重视，车身声腔模态是影响车内噪声的重要因素之一[1]。

车内空间是乘员最直观地体验区域，它是由车身围成的一个封闭空腔，内部充满空气，车内空气所形成的空间就是车身声腔，同任何结构一样，它也拥有模态频率和模态振型，即所谓的声腔模态。车身声腔由车内内饰或钣金形状、空间大小决定。在设计初期通过有限元分析确定车内空腔的声场分布以及模态振型具有重要意义，能够根据车辆的基本参数有效地对车身结构、车内声学特性进行优化匹配，从而避免许多共振问题产生，提高车内的声品质。目前针对车身声腔模态的有限元分析方法有多种形式，本文提出了一种新的考虑仪表台下部空气流通的车身声腔模态分析方法，与现有分析方法进行了分析对比，并通过Lms Test_lab 模态系统试验对某实车车内空腔声学模态频率和模态形状进行了测试，试验结果验证了新的分析方法具有更高的准确性。

1 理论

声腔模态的计算是基于经典的声学理论[2]。在无阻尼、无外在载荷情况下流场内波动方程的有限元矩阵形式如式（1）所示。

式中：M为流体等效质量矩阵；K为流体等效刚度矩阵；为单元节点压力。

方程（1）求解过程与结构模态的振动方程一致，所以通过方程（1）可得声腔波动的特征方程如（2）所示，通过方程（2）即可计算得到声腔模态的频率。

K−λMp= 0 （2）

2 声腔模态有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文通过Hypermesh 前处理软件对声腔进行了网格模型建立，通过Nastran软件对声腔进行了模态分析[3]。设计前期基于车身内饰造型面和白车身概念数据进行声腔建模，整体声腔模型采用实体网格建模，设置为流体单元。

目前针对车身声腔模态的有限元建模方法主要有三种形式，差别在于如何考虑座椅和仪表台的建模。

方法一：声腔模型仅由车内空腔一个整体组成，如图1所示。整体声腔模型定义为流体材料属性，空气密度为1.29 kg/m3，声速为340 m/s。

图1 车身整体声腔模型

方法二：声腔模型由内部座椅和其余车内空腔两部分组成，如图2所示。基于声音在不同介质中的传播速度不同，根据经验将座椅中的空气密度设置为空气的10倍。基于空气的可流通性，座椅模型表面和内部声腔通过共节点处理。

图2 带座椅的声腔模型

方法三：声腔模型由内部座椅+除去主副仪表台部分的车内空腔两部分组成，相比方法二，有些学者认为仪表台无法进行空气流通，在整体空腔的基础上把前部仪表台部分区域删除，不予考虑，模型如图3所示。

图3 考虑座椅除去仪表台的声腔模型

根据工程实际情况，仪表台上部表面区域与车内整体声腔无法形成空气流通，但是主仪表台下部是开口的，与车内整体声腔相互连通，为此本文提出了一种更接近实际情况的建模方法，建立仪表台模型，仪表台模型下部与整体声腔共节点处理，其他表面区域为自由边界，如图4所示。仪表台内部空气通过下部与整体空腔流通，内部空气属性与整体空腔一致。

图4 仪表台建模方法

新的建模方法中声腔模型包含内部座椅、主副仪表、除去座椅和主副仪表台的车内其余声腔三个部分，整体模型如图5所示。

图5 考虑座椅和仪表台的声腔模型

2.2 仿真分析结果

针对某车型车内声腔，使用以上四种分析方法分别建立了不同的声腔模型，并对每个模型的前200 Hz模态进行了计算。声腔一阶纵向模态是实际设计中重点关注的指标，因此本文重点对该模态进行了对比，如表1所示。

表1 声腔模态仿真分析结果

分析方法频率/Hz振型图 方法一55.15 方法二50.15 方法三70.14 新方法46.03

由表1结果可知，四种方法计算得到的模态结果和振型均存在较大差异。方法三计算得到的结果为70.14 Hz，数值最大，与其他三种方法之间的差异也最大；方法一和新方法与方法二之间存在±5 Hz的差别；新方法计算得到的模态结果为46.03 Hz，数值最小。由表1中振型可以看出方法二和方法三较为接近，与方法一和新方法的振型均有较大差异。

3 声腔模态试验验证

3.1 测试模型建立

为了验证新方法分析结果的准确性，在半消声室内对某车型车身声腔模态进行了物理试验测试[4]。在行李箱处使用中低频声源进行白噪声激励。车辆门窗关闭，从前到后布置6排5列传感器，共189个测点，如图6所示，通过移动声传感器的位置，测试声响应。

图6 传感器位置

3.2 测试结果

车身声腔模态物理试验测试得到声腔一阶纵向模态为46.5 Hz，频率响应曲线如图7所示。新的声腔模态分析方法得到的一阶纵向模态为46.03 Hz，与试验测得的结果相比误差为−1%，与其他分析方法结果相比结果更准确，精度更高。

图7 试验测试结果

试验测试与新方法分析得到的振型对比如图8所示，振型也基本一致。

图8 试验和仿真一阶纵向模态振型对比

4 结论

本文提出的考虑仪表台模型的车身声腔模态分析方法将仪表台与整体声腔连通部分共节点建模，建模更加合理，进一步提升了分析模型的完整性和准确性。

通过声腔模态物理试验对实际车身声腔模态进行了测试，试验得到的一阶纵向模态与新方法分析的结果高度吻合，验证了该方法的有效性，为车身声腔模态精确分析提供了重要指导意义。

[1] 卓建明.某客车车身结构模态与声腔模态分析[J].客车技术与研究,2017,39(04):46-48.

[2] 刘成武,黄鼎键,钟勇.基于NVH的车内声腔模态分析[J].福建工程学院学报,2009,7(04):347-350.

[3] 章超,刘润琴,董婷.基于Hypermesh的车身空腔模态仿真分析[J].汽车实用技术,2018(16):273-274.

[4] 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2006.

Research on the Finite Element Analysis Method of the Car Body Sound Cavity Mode

LU Yuanyan, JIA Chao, YUAN Xiaoju

( Anhui Jianghuai Automotive Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The acoustic cavity mode of the vehicle body is an important factor in the NVH performance design of the vehicle, and the accurate analysis of the acoustic cavity mode is of great significance to the early performance design. In this paper, the in-vehicle acoustic cavity modal modeling method is deeply studied, and the three existing acoustic cavity modeling methods are compared, and a new vehicle body acoustic cavity modal analysis method that considers the air circulation under the instrument panel is proposed. The actual modal test is carried out, and the test results verify that the new method has high accuracy.

Cavity mode; Vehicle body; Finite element analysis; Modal test

U467.1

A

1671-7988(2021)24-94-03

U467.1

A

1671-7988(2021)24-94-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.021

卢元燕（1984—），女，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，主要研究方向：汽车NVH性能设计，车身CAE分析。