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解决方案    声学
 Actran辅助车身地板阻尼优化
 

 

  基于对北汽研究总院轻量化技术部部长王智文和北汽股份研究院 NVH 部长及专业总师吴列的采访

背景

阻尼材料被广泛应用于减振、降噪中。为了保证乘客的舒适性以及较低的振动和噪声环境,车身地板上应用阻尼材料以降低车身的振动水平,避免车身 结构产生大量的辐射噪声。合理的阻尼布置是确保 NVH 性能的关键因素之一。

    

车用阻尼材料有多种类型,常用的有沥青阻尼、橡胶阻尼、水性阻尼等。不同阻尼材料的成本不同,贴附的工艺方式不同,环保质量不同,阻尼性能也 有所差别。阻尼材料的选择和使用直接关乎 NVH 性 能、制造成本和燃油经济性。对轻量化部门和 NVH 团队来说,阻尼材料的布置和厚度选择都充满了挑战。工程师既要选择合适的阻尼材料,又要控制阻 尼材料的重量,同时还要保证整车的性能。
行业挑战

 汽车地板、后备箱、轮罩、车门等位置都 可以铺设阻尼结构以降低振动噪声。 前,我们基于经验和最大应变能法进行地 板的阻尼设计。但是我们并没有阻尼精确 仿真的技术手段,因此并不确定这样的方 案是否最优,除非去做实验验证。 北京汽车股份研究院 NVH 部长及专业总师吴 列说道,在实车验证时如果车的声学性 能不过关,再根据经验在样车上增加阻尼 的使用。但是我们不确定这种方法是否是 最有效、最经济的。

 汽车行业普遍的仿真做法是采用模态应变 能法,获取最大应变能的位置,并根据地 板钣金件的平整程度,在易于贴附的位置 大面积使用阻尼材料。这就带来两个问题: 一、不确定模态应变能法识别出的位置是 否对路噪、发动机噪声等真实载荷真的有 效;二、无法得知方案是否可以达到真正 控制振动噪声的目的。国内汽车 NVH 团队 在进行阻尼的 NVH 性能仿真模拟时,普遍 采用非结构质量模拟阻尼层,并对车身结 构定义经验性的模态阻尼来近似体现阻尼 材料的效果。这与实际阻尼铺设方案有很 大差别,并不能直接验证阻尼方案的最终 效果。

 “汽车市场的竞争越加剧烈,我们急迫需 要找到一种可以精确模拟阻尼材料振动噪 声性能的 CAE 方法,吴列总师说道, 能够针对实际载荷响应进行阻尼的优化, 在保证车辆性能的前提下控制成本。

解决方案

阻尼的精确模拟

阻尼材料通常具有随频率变化的损耗因 子。在仿真模型中不仅要体现阻尼材料 与结构本身的贴附关系,还需要模拟贴 附位置处,阻尼材料为结构带来的损耗。 Actran 中通过实体壳单元模拟阻尼材 料层,并将材料的损耗因子定义到杨氏 模量中,准确模拟阻尼材料的阻尼作用。

在进行车身阻尼建模前,首先通过定制 箱体进行仿真和测试对标。箱体的一个 板件贴附阻尼材料,并测量此板件在激 振器作用下箱体内的声压响应。

                  

                               定制箱体贴附阻尼的仿真模型和实验图片

                    

                                                实验和仿真结果对比

 

     Actran 仿真模型不仅对阻尼的位置、厚 度、材料以及阻尼损耗进行精准的建模, 而且仿真结果与实验相比较,准确度非 常高。  

 

阻尼的优化布置

 

      Actran EA 能量分析方法可实现系统的 自动分块,在每一个子区域内组装质量 和刚度阵(通过 MSC Nastran 软件求得), 并进行空间和频带的能量计算。这种方 法比传统的有限元计算方法计算效率更 高,而且便于研究每一个子区域对整个 系统的影响。

                      

                                             地板单元分片图

    通过 EA 方法可快速的进行实际工况载荷 下车内噪声对阻尼的敏感度分析。据此, 可优化出阻尼对车内噪声影响最大的位 置。可进一步在原方案基础上删减敏感 度不高的阻尼,或增加敏感度较高位置 的阻尼布置。

 

“Actran 的引入帮助我们建立针对阻尼材料的车辆轻量化与 NVH 性能的综合评估能 力,通过仿真优化与测试验证在某车型上使得阻尼的使用量减少 25%以上,单车降成 本超过10元。

 

                                      --王智文,北汽研究总院轻量化技术部部长

 

          

 

利用 Actran 内置的优化工具包 NLOPT,并通过脚本二次开发,针对保留的阻尼区域进行厚度的优化。在保证原声学性能的基础上,寻找出每组阻尼片最佳的厚度。

 结果

通过路噪的实验验证,新的阻尼方案下车内噪声与原阻尼方案相当。基于 Actran 的车身地板阻尼优化方案不仅让我们首次获 得了车内噪声与阻尼位置及材料的关系,而且完成了阻尼的位置及厚度的优化。使得地板上阻尼的使用量减少 25%以上,单车降本超 10 元。北京汽车研究总院轻量化技术部部长王智文说道。Actran 的引入填补了我们对于阻尼材料精确仿真的空白。基于 Actran 的这一套优化方法可以进行减重设计,也可以进行噪声的优化,实用且灵活,帮助我们建立针对阻尼材料的车辆轻量化与 NVH 性能的综合评估能力。

               

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