普通家用轿车NVH声固耦合特性的研究

袁亦博　肖岳　方晨　杨博融

摘 要：基于ANSYS软件，运用有限元分析，通过对普通家用轿车NVH声固耦合特性的研究，了解NVH特性的基本原理，并通过数据分析白车身对于发动机产生的噪声和振动的NVH特性，并提出白车身改进方案，希望通过较小的零部件改动，达到较大的汽车NVH性能的改进。

关键词：NVH；白车身；ANSYS；有限元分析

随着现代社会的发展，汽车的需求日益增加，普通家用轿车更是成为了寻常百姓家里的代步工具，也因此，汽车用户对于乘坐的舒适性越来越关注，要求也越来越高。其中NVH特性便是汽车乘坐品质的一个重要指标。所谓NVH，即是Noise，Vibration和Harshness.声音和振动，不难理解，而声振粗糙度是指人体对噪声和振动的主观感觉，是噪声和振动的品质，不能用客观方法来度量。而所谓的声固耦合，指的是车身收到外界激励后引起车身壁板振动，振动产生声波作用到乘坐室声腔，而乘坐室声腔将声波放大或缩小，反作用于车身壁板上的现象。

在NVH的研究中，不论是N，V，还是H，其振动和噪声都是最为中要的两个指标。而其产生也是相互作用相互影响的。汽车作为一个整体，可以看成是一个有激励源、振动传递器以及噪声发射器组成的系统。

激励源，顾名思义，指的是产生振动和噪声的地方，对于汽车而言，其激励源主要有：发动机，变速器，路况与轮胎等等。振动传递器则是指悬挂系统和连接件组成的传递部分，而最后，由车身构成的噪声发射器就将其他部分产生的振动和噪声传递到乘坐者的身体使其感受到。

基于对上述内容的了解，我们这里主要研究发动机位置所产生的噪音与振动对于普通家用轿车白车身的NVH特性响应， 并对白车身结构试着提出改变意见。我们之所以选择发动机，是考虑到发动机是每辆车必备且十分重要的地方，同时发动机所产生的振动和噪声有一定的规律可循，通过这样的研究有望达到大范围改善普通家用轿车的NVH特性。

1 白车身NVH优化部位的确定

1.1 白车身建模

我们采用SOLIDWORKS以某家用轿车白车身进行建模，然后将其导入ANSYS15.0进行分析处理，转入ANSYS后，其模型如下：

1.2 模态分析

将模型导入ANSYS后，我们首先对白车身添加材料属性，考虑到现在的家用轿车车身普遍较轻，我们选择铝合金作为白车身实验材料，然后我们以0.005m为单位划分网格，得到划分后的白车身模型：

我们在四个轮毂出添加四个固定点约束，并保持车身水平。然后通过分析计算，得到其各阶模态及其固有频率：

具体如下：

由上面六个图以及表一我们可以分析的到：

由于模态分析中，高階模态响应不具有参考性。我们主要分析一二阶响应，由一阶响应可以看到，其主要变形部位位于车顶棚及连接车顶棚的几根支柱上，而二阶响应中，其主要变形位于车顶棚前端以及车前盖靠近主视窗的位置。由此可以看出，白车身薄弱部位主要有车顶棚，支架，和车前盖部分位置。这几个地方都是我们可以改进的地方。

1.3 车内声场分析

在建立了白车身自身模态响应的基础之上，我们分析声压的模态响应。以此来寻找噪声在白车身内部的反应情况。我们设置白车身为噪声体，并对其运行环境进行设定，分析计算后得到了其六阶声压云图：

具体如下：

分析各阶声压云图可以看出，其结果与我们预期的结果相似，由于高阶不考率参考性，而一阶由于响应过低，也不可取，因此我们以二阶声压云图进行分析，不难看出，其白车身车前部分的声压较大，而对于车室内部而言，驾驶座及副驾驶座前方的声压较大，及所产生噪声较大。因此改进可以从这方面入手。而结合模态分析可以发现，无论是振动还是噪声，其主要都集中在白车身前中部。

1.4 谐响应分析

为了简单模拟车在路面行走的颠簸情况，我们选择将模型导入ANSYS，对其进行谐响应分析，在其发动机位置添加约束力模拟发动机质量，得到六阶模态变形云图，在将其进行谐响应分析，得到位移响应分布云图：

由图中可以看出，其形变主要集中在驾驶室前方，与前面实验测得的数据基本吻合。这也和振动和噪声是相互关联相互影响的结论相吻合。

2 白车身优化方案确定

正如上述三个实验的到的结论所说。我们在噪声，振动中通过改善其变形情况来减少振动从而也来减轻噪声的传递。因此，从上述三组实验测试中，我们发现白车身主要薄弱部分主要是车顶棚，车前盖靠近车室处以及车顶棚支架。这里我们考虑到车前端盖可以通过各种零部件来改善其振动情况，然后噪声方面我们也可以采用在车前部与车室之间增加隔音材料来改善其声响应情况，因此，我们这里主要讨论对车顶棚的改善优化方案。

我们经过讨论后，发现两点，一是在其车顶棚内部加筋板可以有效改善其薄弱位置的情况，二是在发动机顶盖加一层0.01m的橡胶层。

我们采用如下形状的加强筋，既能够保证其强度，又能保证美观。

加强筋高度取15mm，厚度为17mm，起筋角取75度，其整体效果图如下图所示：

3 白车身优化效果

将优化后模型导入ANSYS软件，进行模态分析和谐响应分析，模态分析结果如下图所示：

通过和之前的对比不难看出其变形情况较之前明显好转。

接着我们对其进行谐响应分析与优化前相比，优化前其车前盖靠近车室部分变形明显，是需要改善的地方，而通过在车顶棚加加强筋之后，我们发现车前盖的变形几乎消失，其对于驾驶员的影响也大大降低。

我们又对其改进后的白车身进行了声压模态反应分析，其主要结果如下：

从图中可以看出车驾驶室位置的声压模型明显改善。特别是对于车室捏驾驶员及副驾驶位置处的声压明显降低。

综上所述，我们通过在车顶棚加加强筋的方式，大大的提高了其汽车的NVH特性。

4 结语

我们以研究普通家用轿车通用模型的NVH声固耦合特性出发，并具体选取白车身为研究对象，以发动机产生的振动和噪声为主要输入源，通过模态分析，声场分析以及其谐响应分析，找到其白车身本身薄弱部位，并以车顶棚为例，提出了其优化NVH性能方案，并加以验证。结果表明，其优化后，不仅车顶棚的模态有所提高，其车前盖的谐响应也有明显优化。

指导老师：陈大林

参考文献：

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