某乘用车加速噪声CAE分析优化与试验验证

姜雪 翟云龙 许京 邓建交 侯杭生

摘  要：在某乘用车的开发过程中，工程样车出现了加速噪声不达标的问题。为解决问题以保证不影响项目时间节点，敏感位置和原因需要快速確定。CAE方法是目前行业中解决工程问题最有效和常用的手段，本文即采用CAE方法对问题进行分析诊断和结构优化，首先进行整车有限元建模，整个模型包括车身声腔、内饰车身、底盘结构件、动力传动系统结构件、模态轮胎等，各零部件之间利用刚性单元或者弹性单元连接和组装。载荷为悬置被动端的加速度激励，输出的监测点为车内噪声和座椅导轨的振动水平。在加速噪声结果峰值附近进行节点贡献量分析，针对贡献量大的位置提出了优化方案。对比优化前后的车内加速噪声结果，表明优化改进后加速噪声明显降低，达成了整车NVH目标。该工作体现了利用整车CAE仿真分析进行问题诊断和设计优化，可以极大地提高问题解决效率，降低试验成本，有利于缩短开发周期。

关键词：加速噪声;整车虚拟仿真;贡献量

中图分类号：U461.4    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2020）05-0012-05

Abstract： During the development of a passenger vehicle program， an OTS prototype vehicle failed to meet the acceleration noise target. In order to resolve the issue and avoid the potential delay， the root causes need to be identified quickly. Since the CAE method is an effective and commonly used method to solve engineering problems in the automotive industry， this paper applies the CAE method to analyze the problem， identify the root cause， and optimize the structure. Firstly， a finite element full vehicle model is established， which includes the body cavity， interior body， chassis structure， powertrain system， modal tire， etc. The full vehicle model is assembled using elastic and rigid connections. The applied load is the acceleration excitation which is applied at the passive side of the engine mounts， and the output monitoring quantities are the interior noise level and the seat track vibration level. The contribution of nodes is analyzed near the peak value of the acceleration noise， and an optimization scheme is proposed for the areas with large contributions. Comparing the level of the acceleration noise before and after the optimization， it shows that the acceleration noise after the optimization is significantly reduced， and the NVH target of the vehicle is achieved. This work shows that the problem diagnosis and design optimization by CAE simulation for a full vehicle can greatly improve the efficiency of the problem solving， reduce the cost of testing and shorten the development cycle.

Key Words： Acceleration Noise; Vehicle Virtual Simulation; Contribution

1    前言

随着工程技术的不断提升和经济的快速发展，人们对于汽车的要求已不仅局限于代步工具，而是更为注重驾乘舒适性的品质内涵。由于汽车振动噪声性能直面用户，NVH已经成为衡量汽车综合性能的重要因素。动力总成噪声作为车内噪声的主要噪声源之一，其水平的好坏将直接影响车内NVH水平[1]-[2]。

在某乘用车的开发过程中，工程样车的NVH 主观评价团队发现该款车在高转速加速过程中噪声过大，上市后必定会引起客户抱怨，因而需要迅速诊断问题根源，提出有效的解决方案。基于CAE可以快速有效定位问题和优化便捷的优点，NVH虚拟计算团队建立了有限元整车模型，分析加速噪声工况下车内噪声响应和振动，精准定位问题的根源，快速有效验证优化方案，有效地提升了整车NVH加速噪声的性能。

2    加速噪声分析

2.1   整车建模

所建立的整车有限元模型如图1所示，其中包括了车身声腔、内饰车身、底盘结构件、动力传动系统结构件、模态轮胎等。用于装配整车的各零部件模型均经过模态或传函的验证以确保模型的准确性。在各个零部件中定义了装配点，各零部件间装配关系根据实车情况采用刚性连接、球铰连接和橡胶衬套连接三种表达方式。刚性连接和球铰连接通过不同的自由度关系来模拟，橡胶衬套采用动刚度常量或者动刚度曲线来近似。噪声响应采集点定义在车身声腔中，具体设在驾驶员或者乘员的耳朵位置。振动响应点定义在车身结构中，具体位置为驾驶员座椅导轨振动响应点和方向盘振动响应点。

2.2   整车模型校验

整车模型校验分成两个部分，零部件子模型校验和整车装配模型校验。零部件子模型校验指标如表1所示。简单结构件由CAE的模态分析验证即可，复杂结构件需要CAE和试验的双重验证。车身模型校验指标包括声传函（NTF）和振动传函（VTF）。底盘结构建模型的校验由CAE模态验证即可。减振器模型需要進行传递函数和模态试验，由试验结果逆向算出减振器的刚度特性，保证减振器特性与实际保持一致。

子模型校验后进行装配模型校验。整车装配模型校验指标如表2所示：

在项目开发前期、缺乏实车试验激励数据的情况下，无法准确验证响应结果，所以验证底盘传递函数和整车传递函数。获取试验数据后，加载试验测试的悬置激励和车轮轴头力激励校验整车频响分析响应。

本文通过计算加速工况下振动噪声响应来实现模型验证，图2所示为CAE的计算值与试验获得的结果对比。从加速工况噪声响应校验的结果可以看出趋势良好，基本满足整车NVH性能分析需求。

2.3   整车加速工况噪声分析

由于在项目中后期具有试验车的资源，为保证激励的准确性，采用试验测试的悬置被动侧的加速度激励作为模型的输入载荷。分析工况为三挡加速0.5阶次、1阶次、……、4阶次加速度激励，响应点为驾驶员内外耳和后排右侧内外耳。得到驾驶员外耳声压级响应曲线如图3所示，从各个阶次得到的响应结果可以看出，二阶激励导致的响应最显著，其次是四阶，故这两个阶次的频响分析需要进一步进行细化分析。

3    加速噪声诊断

获得加速噪声的结果后，需要确定问题的产生根源，然后提出解决问题的合理优化方案。本文采用节点贡献量分析法，针对加速噪声各峰值频率进行贡献量分析。

相比于原来广泛使用的板贡献量法，节点贡献量不但计算效率高，而且省略了将模型分块的步骤，在很大程度上降低了工作量。节点贡献量分析的实质是把声腔内的响应分解为流固耦合界面上的每个节点贡献，这样就可以根据耦合面上贡献量大的位置去定位车身结构上对应的结合位置，直接输出声腔表面网格贡献量，方便快捷的诊断贡献量大的位置，高效地、针对性地提出优化方案[3]-[5]。

根据此乘用车的高转速噪声大的问题，以下对高转速对应的频率范围的贡献量进行详细的说明。三挡加速二阶激励下的驾驶员外耳噪声响应曲线如图4所示：

图中结果表明，对应于峰值频率145Hz的转速为4350转，与试验结果一致。通过计算145Hz处的贡献量，图5所示为节点贡献量结果。

4    加速噪声优化

从节点贡献量的分析结果图4知，后排左侧地板区域贡献量最大，所以优化工作围绕该区域进行，此处的地板结构如图6所示：

该地板下方优化策略是移频，由此提出三种方案。方案一是增加焊点，此处地板与下方的纵梁由于工艺的原因，由两段梁焊接而成，目前焊点仅有两个，方案一是再增加四个焊点，提高梁对地板的连接效率作用，见图7所示。方案二是在梁上增加一个2kg的质量块，通过改变质量达到移频的效果，见图8所示。方案三是在两个纵梁之间加入一个横梁，增加整体结构的刚度，如图9所示。对这三种方案分别进行三挡加速工况噪声响应分析，得到驾驶员外耳噪声140-180Hz段声压级的变化量如表3所示。三种方案对于高转速噪声均有改善，其中加入横梁改善效果最为明显，在140-180Hz范围内总声压级下降2.2dB（A）。得到各方案的贡献量结果如图10-12所示。由于贡献量标尺经过正则化，标尺最大值均为1，所以在方案改进后，后排地板下方位置已经不是主要贡献位置，所以其他位置的贡献量也突出出来，改进方案的贡献量结果证明了改进方案的有效性。

在CAE分析完成后，通过试验对三个方案进行验证，试验结果结论与CAE结论一致，三种方案均可改善动力总成高转速噪声。试验结果见图13所示：

5    结语

（1）基于有限元整车分析方法可以高效、准确的评估整车的加速噪声水平。

（2）基于节点贡献量分析可以准确定贡献量较大的位置，针对高敏感度位置结构进行优化，可以有效降低峰值。

参考文献：

[1]庞剑，谌刚，何华. 汽车噪声与振动理论应用[M]. 北京：北京理工大学出版社，2006.

[2]谯万成，张铭成. 轿车加速车内噪声的降低[J]. 汽车技术，2012.

[3]陈丹华，汪海涛. 应用TPA 基于车身接附点动力总成载荷的车内噪声优化[J]. 制造业自动化，2019.

[4]陈实. 发动机激励引起的车内结构噪声分析与控制[D]. 重庆交通大学，2016.

[5]陈明. 基于车内噪声的轿车NVH改进[J]. 汽车工程师. 2010（05）.