模态分析在车身声振设计中的应用

王正伦,张 鑫,刘荣田

(重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074)

模态分析在车身声振设计中的应用

王正伦,张 鑫,刘荣田

(重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074)

在模态分析的理论基础上,对模态分析在车身声振设计中的应用进行了探讨。通过实例分析了模态分析在车身声振设计中应用的基本方法、基本步骤,这为汽车振动和噪声的特性研究提供了有价值的参考依据。

模态分析;有限元;声振设计;耦合系统

引言

近年来汽车轻量化技术发展很快,轻质的车身结构可以提高动力性和燃油经济性,但往往会增加车身振动,提高车内噪声等级,特别是低频的结构噪声。如何考虑轻量化设计并提高车身噪声性能成为目前研究重点[1]。车身的声振设计主要研究车身结构固有特性和车身噪声之间的关系,查清车身各种振动源、声源发生振动和声音的基本原理,明确各种振动和声音的特性与它们之间的相互关系。车身声振设计的一般流程见图1。车身的声振设计可以在车身结构没有最终确定时,比较准确地分析车身的振动和噪声特性,从而有针对性地控制车身的振动和噪声,避免在车身定型生产时为降低车身噪声和避免振动而进行车身的平顺性优化与改进,最大限度地提高车身设计水平并降低开发成本。车身的声振设计研究的重点是在车身设计阶段对车身结构的振动和噪声的预测与控制,而模态分析的方法在车身声振设计中起着重要作用。

图1 车身声振设计流程

1 模态分析的基本理论[2]

模态分析技术从20世纪60年代后期发展至今已经有近50多年的历史了,模态分析在动力学分析过程中是必不可少的一个步骤,用于确定设计机构的振动特性,即结构的固有频率和振型,它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时,也可以作为其他动力学分析问题的起点,例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析。此外,模态分析也是进行谱分析、模态叠加法谱响应分析、瞬态动力学分析所必须的前期分析[3]。

对于一般多自由度的结构系统而言,任何运动皆可以由其自由振动的模态来合成[4]。有限元的模态分析就是建立模态模型并进行数值分析的过程。当结构阻尼可以忽略不计时,模态分析的实质就是求解具有有限个自由度的无阻尼及无外载荷状态下的运动方程的模态矢量,系统的无阻尼自由振动方程的矩阵表达式为：

式(1)中[M]为质量矩,[K]为刚度矩阵,对于线性结构系统,他们均为实数对称矩阵。{u(t)}为位移矢量,{ü(t)}为加速度矢量。方程具有下列简谐运动形式的解,其形式设为：

式(2)中,{Φ}为位移幅值矢量,将(2)代入(1)得

式(3)是关于位移幅值的齐次方程,为得到{Φ}的非零解,使其系数行列式为0,即

式(4)称作系统的频率方程,将行列式展开可得到一个关于频率参数ω2的n次代数方程,即可求出系统的n个自振频率ω1,ω2,…ωn。

令{Φi}表示与ω1相应的主振型向量,代入式(4)中,得

由式(5)即可求出n个主振型向量。

2 模态分析在车身声振特性分析中的实例应用

对于模态分析在车身声振特性分析中的应用,首先对车身结构进行振动模态分析,进而分析车内空腔流体的声学特性。由于车身受到外界激励后引起车身壁板振动,同时车身壁板的振动还要受到车身室内空腔流体的反作用,板壁振动后产生噪声,再经过车内空腔放大或衰减,反过来产生的噪声同样在车身壁板上放大或抑制壁板的振动,外界的力输入后经这样的耦合后传到受声点,才形成最终的车内噪声。所以必须将车身结构振动和车内空腔噪声耦合起来考虑,进行必要的车身声固耦合分析。

2.1 车身结构的模态分析

车内噪声主要是由车身结构振动引起,车身结构既是噪声信号的激励源,又是不平路面激励的响应系统,因此对车身结构的模态分析可以更好地掌握振动传递和噪声产生的机理,为车内噪声的预测以及噪声源的诊断、壁板声学贡献分析等提供了依据[5]。

车身结构的有限元模型一般由梁单元和壳单元组成,需要确定单元材料的特性和实常数,比如扬氏模量、泊松比、材料密度及厚度、梁单元的截面惯性矩等。车身结构比较复杂,因此,建立有限元网格时应尽量完整准确,能较好地反映车内空腔的实际形状。以SUV轿车为实例,通过有限元软件建立了车身结构的有限元模型(见图2),经计算发现1-5阶的结构模态频率为0,其他模态频率见表1的车身结构模态频率。车身结构模型的自由度较多、模态密集,并且车身结构的局部变形较多。有些局部模态对车内噪声水平贡献较大,分析时必须考虑,比如车身顶盖等。有的局部模态对车内噪声水平贡献较小,分析时可以不考虑,如发动机罩等。

2.2 车内空腔声学模型的模态分析

车内空腔流体的声学模型是有边界约束的声学系统,对车内空腔流体声学模型进行模态分析,可以得到其模态频率和模态振型[6]。在建立有限元模型时,车内空腔采用实体建模,单元网格划分采用三维声学单元。通过ANSYS有限元软件建立了车室内空腔的有限元模型(见图4),并利用软件中的Unsymmetric method求解器进行分析,计算出各阶模态频率,图5为第6阶频率的车室内空腔声学模态分析。另外,需要指出的是在对客车内声学模型分析时,若不考虑座椅的影响,车内空腔流体声学频率明显较高,一般对纵向声学模态频率的影响较为明显。通过对车内空腔声学模态的分析,可根据振型图中声压的分布合理修改座椅位置,尽量使乘客处于低噪声分布处。

2.3 耦合系统的模态分析

对车内空腔流体与车身结构的声固耦合模型进行模态分析,可以准确模拟车身板件与车内空腔流体之间的相互作用,掌握耦合系统的动力学特性,并可分析耦合系统的声学响应[7]。车身声固耦合模型是通过边界约束条件将车身结构模型和车内声学模型耦合在一起的,这种边界约束条件建立了车内声压的变化和车身壁板振动之间的关系。因此,车内空腔声学特性和车身结构力学特性共同决定了车内声压。

表1 耦合系统模态分析结果

由于耦合系统由结构和空腔相互作用形成,因此其模态与结构和空腔两个系统的模态基本对应。耦合系统的模态振型由两部分组成：结构的变形和空腔流体中声压的分布。这些模态可能是由于结构的振动引起声压分布的变化,也可能是声压变化引起结构的振动而产生的,它们分别对应结构和空腔两个系统的模态。通过ANSYS软件模态分析,得到了耦合系统模态分析结果(见表1)和耦合系统的模态(见图6)。对比表中所列两种模态的频率可以看出,由于空气的作用,耦合系统的模态频率稍有变化,但变化基本不会超过1Hz。大部分模态车身结构的变形部位变化不大,也有少量模态的结构变形较大。

图6 第13阶耦合系统的模态分析

结语

基于有限元的模态分析法可以较好地对车声结构的噪声和振动特性进行预测和控制,是车身声振设计中的重要环节。模态分析在车身声振设计中应用的基本步骤是车身结构的模态分析、车内空腔声学模型的模态分析、耦合系统的模态分析。模态分析在车身声振设计中的应用是建立在大型CAD、CAE和CAM集成开发软件基础之上的,需要设计部门给出尽量准确的模型,只有建立尽量准确的有限元模型,才能更加准确地反映整车的实际情况,才能更好地解决实际的问题。实际上,在车身振动和噪声的预测与具体的实验验证之间还是会有差别存在。在车身的焊点、车门、壁板、发动机罩和座椅等结构简化,以及内饰件声学特性参数的实验获取等领域,还需要更加深入的研究。

[1]刘鹏客.客车内噪声控制中的有限元模态分析方法[J].汽车科技,2005,(6)：43-45.

[2]袁安富,陈俊.ANSYS在模态分析中的应用[J].中国制造业信息化,2007,36(11)：42-45.

[3]曹妍妍,赵登峰.有限元模态分析理论及其应用[J].机械工程与自动化,2007,(2)：73-74.

[4]曹树谦.振动结构模态分析：理论、实验与应用[M].天津：天津大学出版社,2001.

[5]方华,孙勇,郭东劭.基于模态分析技术的通过噪声降低方法[J].小型内燃机与摩托车,2007,36(4)：24-26.

[6]杨搏,朱平.轿车车身结构噪声性能分析与优化研究[J].噪声与振动控制,2007,(5)：74-77.

[7]陈江红.车身结构与车内空腔流固耦合系统的模态分析[J].计算机辅助工程,2007,16(3)：101-105.

(责任编辑：潘 敏)

Application of Modal Analysis in Sound and Vibration Design of Car Body

Wang Zhenglun,Zhang Xin,Liu Rongtian
(School of Mechanical&Electrical Automotive Engineering,ChongqingJiaotong University,Chongqing 400074)

Based on the theory of modal analysis,the application of modal analysis in sound and vibration design of car body has been discussed.The basic approach and steps of the application have been analyzed through an example, which provides a valuable reference for the study of characteristics of vehicle vibration and noise.

modal analysis;FEM;sound and vibration design;coupler

2009-11-02

王正伦(1984-),男(汉族),河南濮阳人,重庆交通大学机械设计制造及自动化专业硕士研究生.

U461.5+6 文献标识码：A 文章编号：1009-2080(2010)02-0092-03