NVH分析 – Actran輔助車身地板阻尼優化
背景
阻尼材料 被 廣 泛 應 用 於 減振、降噪 中。為 了 保 證 乘 客 的 舒 適 性 以 及 較 低 的 振動 和 噪聲環境 ，車 身 地 板 上 應 用 阻尼材料 以 降 低 車 身 的 振動水平， 避 免 車身結構 產 生 大量 的 輻射噪聲 。合 理 的 阻尼佈置 是 確 保 NVH 性 能 的 關 鍵 因 素 之 一 。
車用阻尼材料 有 多 種 類 型 ，常 用 的 有 瀝青阻尼、橡膠阻尼、水性阻尼 等。 不 同 阻尼材料 的 成 本 不 同 ，貼 附 的 工 藝 方 式 不 同 ，環 保 質 量 不 同 ，阻尼性能 也 有 所 差 別 。阻尼材料 的 選 擇和 使 用 直 接 關 乎 NVH性能、製造成本 和 燃油經濟性。對 輕量化部門 和 NVH團隊 來 說， 阻尼材料 的 佈 置 和 厚 度 選 擇 都 充 滿 了 挑 戰。 工 程 師 既 要 選 擇 合 適 的 阻尼材料 ，又 要 控制阻尼材料 的 重 量 ， 同 時 還 要 保 證 整車 的 性 能 。
行 業 挑 戰
汽車地板、後備箱、輪罩、車門等位置都可以鋪設阻尼結構以降低振動噪聲。“以前，我們基於經驗和最大應變能法進行地板的阻尼設計。但是我們並沒有阻尼精確模擬的技術手段，因此並不確定這樣的方案是否最優，除非去做實驗驗證。” 北京汽車股份研究院NVH部長及專業總師吳列說道，“在實車驗證時如果車的聲學性能不過關，再根據經驗在樣車上增加阻尼的使用。但是我們不確定這種方法是否是最有效、最經濟的。”
汽車行業普遍的模擬做法是採用模態應變能法，獲取最大應變能的位置，並根據地板鈑金件的平整程度，在易於貼附的位置大面積使用阻尼材料。這就帶來兩個問題：一、不確定模態應變能法識別出的位置是否對路噪、發動機噪聲等真實載荷真的有效；二、無法得知方案是否可以達到真正控制振動噪聲的目的。國內汽車NVH團隊在進行阻尼的NVH性能模擬時，普遍採用非結構質量模擬阻尼層，並對車身結構定義經驗性的模態阻尼來近似體現阻尼材料的效果。這與實際阻尼鋪設方案有很大差別，並不能直接驗證阻尼方案的最終效果。
“汽車市場的競爭越加劇烈，我們急迫需要找到一種可以精確模擬阻尼材料振動噪聲性能的CAE方法，”吳列總師說道，“能夠針對實際載荷響應進行阻尼的優化，在保證車輛性能的前提下控製成本。”
解 決 方 案
阻尼的精確模擬
阻尼材料通常具有隨頻率變化的損耗因子。在模擬模型中不僅要體現阻尼材料與結構本身的貼附關係，還需要模擬貼附位置處，阻尼材料為結構帶來的損耗。在Actran中通過實體殼單元模擬阻尼材料層，並將材料的損耗因子定義到楊氏模量中，準確模擬阻尼材料的阻尼作用。
在進行車身阻尼建模前，首先通過定制箱體進行模擬和測試對標。箱體的一個板件貼附阻尼材料，並測量此板件在激振器作用下箱體內的聲壓響應。
定制箱體貼附阻尼的模擬模型和實驗圖片
某水性阻尼實驗和模擬的結果對比
Actran模擬模型不僅對阻尼的位置、厚度、材料以及阻尼損耗進行精準的建模，而且模擬結果與實驗相比較，準確度非常高。
阻尼的優化佈置
Actran的EA能量分析方法可實現系統的自動分塊，在每一個子區域內組裝質量和剛度陣（通過MSC Nastran軟體求得），並進行空間和頻帶的能量計算。這種方法比傳統的有限元計算方法計算效率更高，而且便於研究每一個子區域對整個系統的影響。
地板單元分布圖
通過EA方法可快速的進行實際工況載荷下車內噪聲對阻尼的敏感度分析。據此，可優化出阻尼對車內噪聲影響最大的位置。可進一步在原方案基礎上刪減敏感度不高的阻尼，或增加敏感度較高位置的阻尼佈置。
原地板上的阻尼分布
每個單元片施加阻尼的聲腔聲壓響應
利用Actran內置的優化工具包NLOPT，並通過腳本二次開發，針對保留的阻尼區域進行厚度的優化。在保證原聲學性能的基礎上，尋找出每組阻尼片最佳的厚度。
結 果
通 過 路噪 的 實 驗 驗 證 ，新 的 阻尼方案 下車內噪聲 與 原阻尼 方 案 相 當 。“基 於 Actran 的 車身地板阻尼優化方案 不 僅 讓 我 們 首 次 獲 得 了 車內噪聲 與 阻尼位置 及 材料 的 關 係 ，而 且 完 成 了 阻尼的位置 及 厚度的優化。使 得 地板上阻尼 的 使 用 量 減 少 25% 以 上 ，單 車 降 本 超 過 10元。”北京汽車研究總院輕量化技術部部長王智文說道。“Actran 的 引 入 填 補 了 我 們 對 於 阻尼材料精確模擬 的 空 白 。基 於 Actran 的 這 一 套 優化 方 法 可 以 進 行 減重設計 ， 也 可 以 進 行 噪聲的優化 ， 實 用 且 靈 活 ，幫 助 我 們 建 立 針 對 阻尼材料 的 車輛輕量化 與 NVH性能 的 綜合評估能力。”
(左)駕駛員內耳噪聲測試數據(右)右後內耳噪聲測試數據(綠色為優化阻尼方案，紅色為阻尼方案)
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