仿真分析在规避路噪风险中的应用

邵立军 李京福 鄂世国 乔鑫

（华晨汽车工程研究院）

随着人们对汽车舒适性要求的不断提高，NVH 性能变得越来越重要。路面噪声是NVH 性能的重要评价内容，主要集中在30～300 Hz 的低频范围，容易引起乘员的不适感，严重时甚至会引起恶心和呕吐等现象[1]，严重影响乘坐舒适性及整车品质。而路面激励引起的振动和噪声是汽车在行驶过程中不可避免的，因此采取仿真技术在设计初期阶段对潜在风险进行预测和规避，对缩短开发周期、降低研发成本和提高产品竞争力具有重要意义。

1 问题描述

对某SUV 数字样车阶段的数据进行仿真分析，建立该数字样车带内饰车身和声腔的模型，对其进行声学灵敏度（NTF）分析，得到车身与底盘接附点到车内噪声响应点各条路径的噪声传递函数。由于该数字样车处于开发早期阶段，尚无工装样车，故借用同平台现有标杆车在粗糙路面60 km/h 定速工况下所测得的车身与底盘接附点处的激励力，作为该数字样车路面实际激励噪声分析的激励源。在LMS Virtual.Lab 软件中建立该数字样车路面实际激励噪声分析模型，得到其右后排乘员内耳处的噪声响应，如图1 所示。该车路面实际激励噪声在54 Hz 左右，超过目标值且高于同平台现有标杆车，存在较大路噪的风险。

图1 数字样车与标杆车右后排乘员内耳处的噪声响应对比

2 问题分析

欲找出路面噪声的主要影响因素，首先要分析对路面激励传递起主要作用的车身与底盘接附点的动刚度特性，进而求取接附点到人耳的噪声传递函数；还要对路面噪声传递路径上的零部件进行模态分析及声腔模态分析等，找出路面噪声的重要影响因素和主要贡献量[2]。本案例中，该数字样车与采集激励力的标杆车为同平台打造，底盘及车身结构具有极大的通用性和相似性，车身与底盘接附点局部结构并无差异，因而将传递路径分析、噪声传递函数分析、声腔模态和节点贡献量作为重点分析对象。

2.1 传递路径分析

根据传递路径分析方法[3]，车内噪声总响应与激励力和传递函数的关系可表示为：

式中：R——车内噪声总响应，Pa；

Fi——某一个激励力，N；

Fn，t，i——该激励力到响应点的噪声传递函数，Pa/N；

n——激励力或噪声传递函数的个数。

该数字样车车身与底盘接附点共16 个，所以接附点到右后排乘员内耳处的传递路径共48 条，各路径对右后排乘员内耳响应的贡献量，如图2 所示。从图2 可见，在54 Hz 处后副车架（与车身柔性连接）左后安装点Y 向和后副车架左前安装点Z 向对右后排乘员内耳响应的贡献量最大。

图2 各噪声传递路径对右后排乘员内耳响应的贡献量

2.2 噪声传递函数分析

后副车架左后安装点Y 向和左前安装点Z 向到右后排乘员内耳的噪声传递函数曲线，如图3 所示。从图3 可见，这2 条曲线在54 Hz 左右存在峰值，明显超过目标值且高于同平台现有标杆车。判定这2 条路径下的噪声传递函数对路面噪声问题起到主要作用。

图3 后副车架安装点到右后排乘员内耳的噪声传递函数对比

2.3 声腔模态分析

相比于同平台现有标杆车，该SUV 数字样车在车身地板及上车身造型等方面有变化，驾驶室声腔体积存在一定差异，所以有必要对其声腔模态进行仿真分析[4]。通过声腔模态分析，得到其1 阶模态频率为52.83 Hz，振型为纵向伸缩，如图4 所示。该模态频率与路面噪声问题和NTF 曲线峰值所在频率相吻合，初步推断路面噪声问题是由于车身结构振动模态与声腔1 阶模态耦合引起。

图4 数字样车声腔1 阶模态振型

2.4 节点贡献量分析

传递路径分析确定了引起路噪问题的主要路径，但在该路径下具体是车身的哪些板件起到了主要作用尚不明确，因此需要进行节点贡献量分析[5]。节点贡献量分析是把声腔内的响应分解为流固耦合面上的每个节点贡献，因此可以根据耦合面上贡献较大的位置找出车身结构上对应的板件。该数字样车在流固耦合面上节点的贡献量分布，如图5 所示。图6 示出数字样车车身板件振动位移云图。在问题频率处对后副车架左前安装点（图6 中绿圈位置）Z 向到右后排乘员内耳的噪声传递函数进行节点贡献量分析，得到流固耦合面上贡献较大的节点，如图5 橙红色区域所示，相应的车身板件振动位移较大位置，如图6 中橙红色区域所示。

图5 数字样车流固耦合面上节点贡献量分布

图6 数字样车车身板件振动位移云图

3 优化方案

通过上述分析可知，车身后地板受激励振动与声腔1 阶模态耦合是问题的主要原因，因此需要采取措施对该地板进行加强以抑制其振动。经过多种方案比对和验证，最终选定优化方案为在车身后地板横梁之间增加一纵向连接件，如图7 所示。

图7 车身后地板优化方案示意图

优化后仿真分析结果相比原状态有极大改善，优化后后副车架左后安装点Y 向和左前安装点Z 向到右后排乘员内耳这2 条路径下的噪声传递函数，如图8所示。右后排乘员内耳的路面实际激励噪声响应，如图9 所示。在项目开发后续阶段中，该SUV 工装样车的实车测试表现良好，未发现明显的路面噪声问题。

图8 优化后后副车架安装点到右后排乘员内耳的噪声传递函数对比

图9 车身地板优化后右后排乘员内耳处的噪声响应对比

4 结论

利用CAE 仿真分析手段，在数字样车阶段预测了某SUV 路面实际激励噪声的潜在风险。通过传递路径分析，确定了后副车架左后安装点Y 向和左前安装点Z 向到右后排乘员内耳这2 条路径对路面噪声问题贡献最大；通过声学灵敏度分析，确定在问题频率这2 条路径下的噪声传递函数较大是问题的主要原因；通过声腔模态分析，判定该路噪问题是由于车身结构振动与声腔1 阶模态耦合引起；通过节点贡献量分析，查找出对噪声响应贡献较大的板件，并对其进行结构优化。后续阶段中该SUV 工装样车经实际测试，路面噪声表现良好，体现了仿真分析对风险预测的重要性和对设计开发的指导意义。