形貌优化与面板贡献量在汽车噪声传递函数优化分析中的综合应用

刘忠伟，付广，梁静强，吕俊成

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)



形貌优化与面板贡献量在汽车噪声传递函数优化分析中的综合应用

刘忠伟，付广，梁静强，吕俊成

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

随着中国汽车产业的逐渐成熟，消费者越来越关注车辆的振动噪声性能，汽车的NVH性能开发被推到了台前。对Trimmed Body的噪声传递函数进行分析，通过面板贡献量找到对噪声影响较大的面板，然后利用形貌优化分析截取面板局部模型，得到改进的钣金形状结构，最终优化了车身噪声传递函数。

噪声传递函数；面板贡献量；形貌优化

0　引言

汽车车内噪声形成原因复杂，可分为车身板件振动结构噪声、进排气系统噪声、轮胎噪声以及风噪等。以某款车型为例，进行噪声传递函数(NTF)分析时，发现部分接附点峰值不满足目标值。首先对车身进行局部动刚度分析，排除接附点局部动刚度是造成峰值不满足要求的因素;其次通过面板贡献量(PFP)分析判断出前围板对噪声峰值贡献量较大;再次截取前围板局部模型通过模态分析和形貌优化等方法对其进行优化分析;最后验证优化后模型，得到前围板局部模态提高、NTF部分接附点峰值改善的结论。

1　面板声压贡献量和OptiStruct优化理论

1.1面板声压贡献量理论

噪声传递函数(Noise Transfer Function，NTF)，指施加在某一结构上的单位力在结构内产生的声压，它表示其结构与内部空腔的声学相关特性。汽车结构是由各种不同薄板和边框构成的。对于低频结构振动和振型，汽车立柱、横柱和横梁等结构均有较大影响；对于车内噪声，汽车壁板振动的影响较大。

假设振动结构的封闭边界由K个面板组成，则封闭声腔内任意一点r处的声压p(r)可以认为是由于这K个面板振动而在该处引起的声压相互叠加产生的，可表示为：

(1)

式中：pk(r)为由第k个面板振动而在封闭声腔内点r处引起的声压，k=1,…,K。

而对于封闭空腔声场，由第k个面板振动在某场点处产生的声压可以认为是第k个面板单独振动而其他面板的法向振速为零时的情况，因此可得等效源强列向量：

(2)

式中：Vnsk为振动结构的第k个面板的法向振速列向量。

由式(2)，可以得到由第k个面板振动作为辐射声源相对应的等效源强列向量：

(3)

利用式(3)，可得到由第k个面板振动在封闭声腔内点r处引起的声压为：

(4)

从式(4)可以看出，在已知第k个面板的法向振速的条件下，利用等效声传递向量，可求解由该面板的振动在场点r产生的声压pk(r)。

(5)

式中：α=θ1-θ2为pk(r)与p(r)的相位差，θ1和θ2分别为pk(r)与p(r)的相位。

为了计算方便，由欧拉公式eiφ=cosφ+isinφ，可得cosφ=Re(eiφ)。

则由式(5)，可得：

(6)

式中：Re表示取实部，上标“*”表示复共轭。

显然，若0≤α≤90°或270°≤α≤360°，则Dk(r)为正；若90°≤α≤270°，则Dk(r)为负。

分别计算振动封闭空腔结构各面板对声场场点的声学贡献度并进行排序，可为结构声学优化提供指导依据。

1.2OptiStruct优化理论

OptiStruct是一款功能强大的结构优化软件。优化设计有3个要素，即设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是在优化过程中发生改变从而提高性能的一组参数；目标函数要求最优的设计性能，是关于设计变量的函数；约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求。

优化数学模型表述为

(7)

其中：X=(x1,x2,…,xn)是设计变量，f(X)是设计目标，g(X)和h(X)是需要进行约束的设计响应，j=1,2，…,m；k=1,2，…,m；i=1,2，…,m。

2　Trimmed Body模型分析

2.1建立TrimmedBody有限元模型

利用HerperMesh分别建立白车身、座椅、转向系统、仪表板、五门一盖、副车架和声腔等有限元模型。依据整车实际连接关系把各个总成搭建为汽车TrimmedBody有限元模型，如图1所示。

2.2NTF分析

在Nastran中提交计算TrimmedBody模型，利用HerperWork处理得到噪声传递函数结果。处理结果后发现在各激励的响应中右悬置Y向、右前减震器X向、右前摆臂Z向和排气第四吊钩Z向激励工况下，声压均在53Hz附近出现了较明显的峰值。图2为右前减震器X向激励，后排座椅乘客中间位置声腔响应点(9 000 005)的声压曲线图，在频率53Hz处声压出现明显峰值。测量点的声压级响应曲线的响应频率是20～200Hz。

2.3面板贡献量分析

在原TrimmedBody模型的基础上建立面板贡献量模型。首先建立若干不同的SET集，使其分别包含对NTF影响较大的几个车身区域；面板区域划分及简写代号见表1；然后创建PFPANEL卡片，定义面板设置参数和输出形式;再在Nastran中提交计算模型，利用HyperWorks中NVH分析模块处理计算结果，得到不同激励工况下各个面板的声压贡献量信息。其中右前减震器X向激励下53Hz处后排座椅乘客中间位置声腔响应点(9 000 005)声压响应的面板贡献量分布见图3。由图可知前围板面板所占比重最大，对此处车身内声压的影响较明显。

表1　面板及简写代号

3　形貌优化设计

3.1形貌优化分析

截取白车身前围板局部模型，约束截面123 456自由度。截取模型如图4所示，对其进行模态分析。模型第四阶模态159.3Hz，前围板右侧区域出现较明显模态振动。利用OptiStruct形貌优化模块对前围板局部模态进行优化，优化区域选取前围板右侧区域。形貌优化设置条件见表2，形貌优化后结果见图5。

3.2优化参数设计

根据形貌优化结果以及模态振型并从外部空间和加工工艺上考虑，对前围板右侧区域进行加筋或修改筋条处理，如图6所示。

3.3优化结果验证

由图7可知优化后前围板第4阶局部模态由优化前的159.3Hz变为166.8Hz，提高了7.5Hz。根据以上优化设计，重新对TrimmedBody模型进行噪声传递函数计算，处理结果后得到优化后与优化前对比曲线，如图8所示。可以看出：优化之后的NTF曲线在53Hz处仍有峰值，但该处峰值已减少了2.8dB；另外，右悬置Y向50Hz处下降1.2dB，右前摆臂Z向52Hz处下降3dB，排气第四吊钩Z向53Hz处下降1dB。可知此优化结果对降低这几个激励的声压响应是有效的。

对比图3和图9可知：前围板面板在右前减震器X向激励下53Hz处后排座椅乘客中间位置声腔响应点(9 000 005)处的声压响应面板贡献量，由优化前61.67%降低为52.34%，降低了单个面板能量贡献量，优化了此处的面板贡献量分布。

图9车身面板优化后贡献量分布图

4　结论

综合运用噪声传递函数、面板贡献量、模态分析、形貌优化等方法完成了前围板结构的优化，在减少工程更改的基础上，提高了前围板的局部模态，降低了车身结构和声腔的耦合程度，优化了车辆的噪声传递函数。在实际分析过程中，车身结构零件繁多，车身和声腔解耦复杂，只有综合应用多种方法，多种措施相互结合，才有可能转化为较理想的工程应用。

【1】何祚镛．结构振动与声辐射[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001．

【2】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．

【3】洪清泉，赵康，张攀，等.OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

【4】肖悦.基于面板声学贡献度的封闭空腔结构内声场分析的若干关键问题研究[D].合肥：合肥工业大学，2014.

Comprehensive Application of Topography Optimization and Panel Contribution inVehicle Noise Transfer Function Optimization Analysis

LIU Zhongwei，FU Guang，LIANG Jingqiang，LV Juncheng

(SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd., Liuzhou Guangxi 545007, China)

With the maturity of China’s automobile industry, consumers pay more attention to the vibration and noise performance of vehicle. The NVH development of the car has been pushed to the front of the stage. Based on the analysis of noise transfer function and panel contribution of Trimmed Body, a panel which had a bigger impact on the noise was found. Then the improved shape of sheet-metal was gotten through the analysis of topography optimization model. Finally, the vehicle noise transfer function was optimized.

Noise transfer function; Panel contribution; Topography optimization

2015-05-14

刘忠伟,男，本科，从事汽车NVH仿真分析研究工作。E-mail:liuzhongwei2009@126.com。