某铝合金驾驶室结构模态和声腔模态分析

张德伟,刘瑞萍, 徐鑫，张书豪，王东辉，孙巍

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

0 引言

驾驶室是商用车设计的核心之一，它是车辆振动与噪声的重要传递路径，其结构设计决定了商用车的NVH性能。NVH性能是车辆的一个性能亮点，驾驶员能够直接感知。驾驶员长时间感受振动和处在噪声环境下，会引起头晕、耳鸣、烦躁以及注意力下降、疲劳等现象，严重的还会直接造成身体损伤。

目前使用铝合金是实现轻量化的重要途径，可以有效地降低车辆的整备质量，实现轻量化目标，同时提高汽车续航里程，降低单位质量的能耗。还可提升新能源车型的市场竞争力。

在驾驶室设计阶段，通过分析驾驶室结构和声腔模态频率和振型，在设计过程中对各个激励源的频率、各总成频率、声腔模态频率进行解耦，避免驾驶室结构振动导致共振，同时防止板结构的局部振动引发驾驶室内的噪声。

框架结构决定驾驶室的整体结构模态，板的局部结构容易与驾驶室声腔共振而产生轰鸣声。本文作者以某铝合金驾驶室为研究对象，通过仿真手段分析结构模态和声腔模态，对铝合金驾驶室的结构特性进行评价。

1 模型建立

驾驶室结构都是铝合金挤压型材焊接而成，对驾驶室各个部件抽取中面建立网格，通过网格标准检查网格单元质量，焊接位置通过共节点的方式连接在一起。这种方法保证结构有限元模型的完整性和准确性，提高仿真分析的精度。其结构有限元模型如图1(a)所示。

声腔模态模型主要依据声学单元的理想尺寸，即大约是每个波长6个单元(单元尺寸为声波波长的1/6)，整体上网格大小采用30 mm×30 mm，网格类型以六面体为主，四面体为辅，有利于提高计算速度和精度。其声腔有限元模型如图1(b)所示。

图1 驾驶室结构和声腔有限元模型

2 模态分析理论

2.1 结构模态分析理论

动力系统主要由质量、阻尼、弹簧阻力及外载荷四部分组成，单自由度系统的动力方程为

(1)

结构模态主要是求解固有频率和振型，而固有频率和振型计算的实质是求解特征值和特征向量的问题，在结构模态有限元计算中忽略阻尼的影响，在无阻尼、无外在载荷情况下单自由度系统的振动方程矩阵形式为

(2)

式中：M为质量矩阵；K为刚度矩阵。

对于线性结构系统，式(2)的简谐函数形式解为

x(t)=φsin(ωt)

(3)

式中：φ为特征向量；ω为圆频率。

将式(3)代入式(2)可得方程：

(K-λiM)φi=0

(4)

式(4)的特征方程为

K-λiM=0

(5)

通过方程(5)即可求得特征值λi，即为固有频率，再通过方程(4)计算得到特征向量φi，即为振型。

2.2 声腔模态分析理论

声腔模态和结构模态的求解类似，同样也是求解声腔固有频率和振型。声腔模态的计算基于经典声学理论。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为

(6)

式中：Mf为流体等效质量矩阵；Kf为流体等效刚度矩阵；p为单元节点压力。

方程(6)求解过程与结构模态的振动方程一致，所以通过方程(6)可得声腔波动的特征方程为

Kf-λiMfpi=0

(7)

通过方程(7)即可计算得到声腔模态的频率和振型。

3 结构模态分析

结构模态是影响NVH性能的基础，是驾驶室最本质的特征。它主要通过模态分析识别出主要模态的频率、模态的振型等，可以预测外界激励下产生的响应，为解决驾驶室的振动和噪声提供依据。某铝合金驾驶室前6阶的振型图如图2所示。结构模态频率及振型描述如表1所示。

图2 结构模态振型图

表1 结构模态频率和振型描述

在模态振型中，模态位移为零的点称为节点(图中黑色)；幅值最大点称为反节点(图中深灰色)。节点位置的振动对整体响应没有贡献，反节点位置的振动对整体响应贡献最大。在设计过程中尽量将外在激励和质量集中的部件布置在节点上或接近节点附近。

驾驶室的1阶扭转模态是最重要的模态，该驾驶室的第1阶和第2阶模态都呈现扭转形式，但频率相差13 Hz，振型主要区别是节点和反节点的位置不同，呈现180°旋转对称。第3阶模态出现地板向下而顶盖向上运动的方向相反的运动形式的“呼吸”模态，容易激起声腔模态而产生轰鸣声。第5阶和第6阶出现局部模态，主要是顶盖和前横梁的局部振动，这些位置刚度不足容易产生振动。

4 声腔模态分析

声腔模态是指封闭空气而形成的模态，同样也存在模态频率和模态振型。声腔模态主要体现在压力的变化。图中颜色对应压力的大小，如图3所示，不同位置的压力是不同的。压力为零的位置(图中黑色)称为节点。驾驶室的每阶声腔模态都有不同的振型。某铝合金驾驶室前6阶的振型图如图3所示。声腔模态频率及振型描述如表2所示。

图3 声腔模态振型图

该驾驶室在频率91.6 Hz出现第1阶横向模态，此振型的压力分布以车辆中心线为对称轴左右对称，压力从中心向两侧逐渐增大。第2阶声腔模态的压力以节点组成的区域(黑色)为对称面向两侧逐渐增大。第3阶声腔模态的振型相当于第2阶振型旋转90°而得到，但频率高出35 Hz。声腔模态的振型随着频率的增加越来越复杂，呈现纵向和横向交织的形式。

表2 声腔模态频率和振型描述

5 结论

通过有限元方法计算得到某铝合金驾驶室的结构模态和声腔模态，结论如下：

(1)通过分析该驾驶室的结构模态，铝合金驾驶室既能实现轻量化目标，也能实现结构模态的目标值，也为框架结构设计提供依据。

(2)通过分析该驾驶室的声腔模态，得到了在中低频率阶段的声腔模态，为板结构的设计提供设计参考。

(3)驾驶室结构模态和声腔模态都是NVH的重要基础，为实现驾驶室的舒适性和驾驶室的结构设计改进提供技术支持。