基于FE-SEA法的前围声学分析及轻量化优化.pdf

汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 155基于 FE-SEA 法的前围声学分析及 轻量化优化常慧荣，田宇黎，王智文，栗娜（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）摘要：本文主要针对 2001 000Hz 的中频带 NVH 噪声问题寻找解决方法。通过采用 FE-SEA 法，验证平板理论模型的有效性；建立前围子系统仿真模型，开展中频声特性的重点影响因素分析，寻找对中频噪声影响的主要因素、特征及改进方向；锁定 6 个主要影响因素，进行基于不同变量的 DOE 设计分析，通过迭代优化，提出三组改进方案；进行整车搭载验证，通过 3 挡 WOT 工况测试验证，轻量化方案实现减重 1.227kg，问题频率改善 2dB。关键词：中频噪声；轻量化；优化设计1引言随着大众消费水平的提升，汽车舒适性已成为购车选择的关键考虑因素，汽车舒适性指标中，NVH（Noise，Vibration，Harshness，噪声、振动与声振粗糙度）性能是重要的指标之一1-2，因此汽车的车内噪声水平已成直接影响消费者选车的重要考虑项。中高频结构传声问题，如发动机透过音问题3、电机啸叫问题4等，对整车声舒适性的影响较大，会降低用户驾驶的舒适性。目前的数值模拟方法主要有有限元（FE）和统计能量分析（SEA）法5。FE 法一般适用于低频噪声计算，SEA 法在计算量上有明显优势，但缺乏在中低频段的准确性6，两种方法均有局限性，但互为补充，于是，FE-SEA 混合法成为解决该频段 NVH 问题的有效优化方法。FE-SEA 混合法将有限元与无限元系统之间的连接假设为无限薄板结构进行研究7。Langley8等最早提出混合建模方法，根据激励发出的波是否经过反射，将波场分为混响场和直接场。L.H.Humphry9等用混合法分析结构噪声，对结构不确定的连接模型，分别使用 FE-SEA 混合法和有限元法建模，将二者在中频段声振的计算结果作对比，验证了混合振动响应进行了预测。Vincent Cotoni10等基于混合 FE-SEA 方法分析了中频结构声学问题。基于板-杆-板 FE-SEA 方法分析中频声振特性的准确性。Chen X11等通过 FE-SEA 混合法，进行了车内中频噪声仿真模拟，其仿真与试验结果有很好的一致性，通过模拟指导优化模型前风挡玻璃材料，不仅基金项目：北京汽车研究总院有限公司车身及底盘典型零件低成本轻量化项目 IM汽车行业156 2023年增刊降低了车内噪声，同时实现了前风挡玻璃减重。FE-SEA 混合法需要实现有限元与无限元系统之间的良好耦合，保证能量能够在各子系统之间相互传递。Actran 软件集成了有限元与无限元建模功能，可以一站式实现 2001 000Hz 中频段声学仿真前中后处理。基于上述原因，本文针对乘用车中频结构传声问题，通过采用 Actran 软件实现 FE-SEA 混合建模，首先基于平板理论模型，进行了 FE-SEA 混合模型方法验证，在此基础上，对某燃油车型，进行前围子系统设计与搭载验证，探究针对2001 000Hz的中频带NVH噪声问题解决方法，并提出前围系统声学包工程化设计及轻量化优化建议。2平板理论模型混合搭建本章采用了平板理论模型，验证 Actran 声学仿真软件的 FEM-SEA 混合模型方法的有效性。分别进行了FEM 的方法 1001 000Hz 的频率范围计算，以及 SEA 方法计算 1002 000Hz 的频率范围计算。FEM-SEA 混合模型如图 1 所示。图 1平板理论模型构建示意图Actran 的 SEA 模型，仅需通过 FEM 模型进行一次转换形成板件子系统，节省了 SEA 模型的建模成本，并通过 PIM 方法，自动进行 CLF、DLF 的计算，提升了仿真效率和中频的准确性。FEM-SEA 混 合 模 型 的 对 比 如 图 23 所 示，在1001 000Hz 处两条曲线的吻合度较高，且在 1 0002 000Hz完成了高频的拓展。有效地完成了全频段混合模型的验证。图 2FEM 与 SEA 声辐射频谱图对比 3中频特性主要影响因素分析本章进行了钣金平板结构（无加强、无覆盖和无造型结构），及覆盖不同声学材料、不同加强结构和不同钣金造型时的结构声学性能特征对比，通过分析各因素对中频声特性的影响，寻找对中频噪声影响的主要因素、特征及改进手段。3.1不同钣金结构形式及结构特征方案设计基于实际车型防火墙常用结构特征、声学包材料、阻尼布置等形式，设计 37 种样板件方案进行声学性能分析，其中包括结构特征方案 18 组、阻尼和补强片布置各3 组和声学包材料布置 13 组，基础模型如图 4 所示，具体方案见表 1。汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 1573.2不同材料样件力声辐射性能分析分别对比不同声学包材料、不同覆盖率和不同贴合方式下，样件被振动激励下的声辐射性能，以评估样件对中频声的响应能力。对比如图 5 所示。图 4前围子系统模型构建示意图表 1不同特征样板件方案 方案结构形式密度分布质量/kg面积/m2备注方案 10.8mm 钣金7 800kg/m32.800 00.448 9方案 20.8mm 钣金+2.3mmEVA+20mmPU7 800kg/m3+3 800g/m2+65kg/m35.000 00.448 9方案 30.8mm 钣金+2.3mmEVA+15mmPU7 800kg/m3+3 800g/m2+65kg/m34.850 00.448 9方案 40.8mm 钣金+双密度毡 5+15mm7 800kg/m3+1 400g/m2+1 200g/m23.960 00.448 9方案 50.8mm 钣金+双密度毡 5+5mm7 800kg/m3+1 400g/m2+1 200g/m23.800 00.448 9方案 60.8mm 钣金+单密度毡 20mm7 800kg/m3+1 200g/m23.335 00.448 9方案 70.8mm 钣金+单密度毡 10mm7 800kg/m3+1 200g/m23.166 00.448 9方案 80.8mm 钣金+吸音棉 20mm7 800kg/m3+450g/m23.000 00.448 9方案 90.8mm 钣金+吸音棉 15mm7 800kg/m3+350g/m22.957 00.448 9方案 100.8mm 钣金+2.3mmEVA+15mmPU7 800kg/m3+3 800g/m2+65kg/m34.850 00.448 9100%覆盖，胶粘方案 110.8mm 钣金+2.3mmEVA+15mmPU7 800kg/m3+3 800g/m2+65kg/m34.645 00.448 990%覆盖，胶粘方案 120.8mm 钣金+2.3mmEVA+15mmPU7 800kg/m3+3 800g/m2+65kg/m34.338 00.448 975%覆盖，胶粘方案 130.8mm 钣金+2.3mmEVA+15mmPU7 800kg/m3+3 800g/m2+65kg/m33.970 00.448 950%覆盖，胶粘方案 140.8mm 钣金+阻尼7 800kg/m3+2 400g/m23.075 00.448 920%覆盖方案 150.8mm 钣金+阻尼7 800kg/m3+2 400g/m23.460 00.448 960%覆盖图 3FEM 与 SEA 声辐射 1/3 倍频程频谱图对比IM汽车行业158 2023年增刊方案结构形式密度分布质量/kg面积/m2备注方案 160.8mm 钣金+阻尼7 800kg/m3+2 400g/m23.900 00.448 9100%覆盖方案 17中通道板（100mm50mm 凸起）7 800kg/m33.220 00.515 9方案 18中通道板（200mm50mm 凸起）7 800kg/m33.220 00.515 9方案 19中通道板（100mm100mm 凸起）7 800kg/m33.640 00.582 9方案 20中通道板（上 60mm+下 100mm+高 50mm 梯形凸起）7 800kg/m33.085 00.494 3方案 21曲面板7 800kg/m33.030 00.493 7方案 221mm 钢板7 800kg/m33.500 00.448 9方案 231mm 钢板+1.5mmEVA7 800kg/m3+2 500g/m24.533 00.448 9方案 241mm 钢板+1mm 小补强块（100mm200mm）7 800kg/m33.657 00.448 9方案 251mm 钢板+1+1.5mm 小补强块（100mm200mm）7 800kg/m33.891 00.448 9方案 261mm 钢板+1.5mm 小补强块（100mm200mm）7 800kg/m33.735 00.448 9方案 270.8mm 钢板+150mm50mm1mm 加强梁7 800kg/m34.106 50.515 9方案 280.8mm 钢板+100mm50mm1mm 加强梁7 800kg/m33.845 20.515 9方案 290.8mm 钢板+50mm50mm1mm 加强梁7 800kg/m33.583 90.515 9方案 300.8mm钢板+50mm50mm1mm加强梁（填充棉）7 800kg/m33.584 00.515 9方案 310.8mm 钢板+50mm50mm1mm 加强梁开孔7 800kg/m33.583 00.514 3方案 320.8mm 钢板+50mm50mm1.2mm 加强梁7 800kg/m33.740 00.515 9方案 330.8mm 钢板+50mm50mm1.5mm 加强梁7 800kg/m33.976 00.515 9方案 340.8mm 钢板+夹层+0.8mm 钢板7 800kg/m3+15kg/m35.630 00.515 9填充物为轻质 PU方案 350.8mm 钣金+补强板7 800kg/m3+2 650g/m23.990 00.448 9100%覆盖方案 360.8mm 钣金+补强板7 800kg/m3+2 650g/m23.366 00.448 950%覆盖方案 370.8mm 钣金+补强板7 800kg/m3+2 650g/m23.097 00.448 925%覆盖图 5不同材料覆盖的声辐射性能覆盖声学材料后，声辐射能力明显降低，综合表现方案 2 最优，其次依次为方案 10、方案 16、方案 6、方案 8、方案 4。对比可知：1）阻尼材料对声辐射能力的影响在分析频带内基本（续）汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 159相当，EVA+PU 主要体现在 300Hz 以上，随频率增高而增大。2）贴附方式未能进一步衰减声辐射能力，反而在400Hz 以下较不胶粘时变差。3）其他纤维内材料，单密度毡效果最优，与阻尼辐射效果基本相当。钣金铺设同种材料时，不同厚度或不同覆盖率对样件声辐射能力的影响如图 6 所示。图 6同材料变参数声辐射性能对比由不同方案下样件声辐射对比可知：1）对于纤维内材料，重量或厚度对声辐射的影响主要表现在 300Hz 以上频率，当质量足够小时，不同厚度或密度对声辐射能力基本无影响（如吸音棉）。2）对于弹性材料，材料总质量越高，对声辐射能力影响越大，且全频段均有表现。3）声学包覆盖率对声辐射能力的影响主要表现在350H 以上中高频，覆盖面积越大，声辐射能力衰减越大。4）阻尼材料在全频段对声辐射的影响基本相当，覆盖率越高，声辐射能力越小，当覆盖率达到一定时，声辐射能力影响较小。3.3不同钣金结构形式及结构特征样件力声辐射性能分析对不同钣金结构形式及结构特征进行力声辐射性能IM汽车行业160 2023年增刊分析，以研究其对振动激励的声响应水平，作为车身设计开发的参考。不同结构形式样件声辐射对比如图 7 所示，可知：1）钣金厚度对声辐射比有影响，400Hz 以下时，厚度为正贡献，反之为负贡献。2）曲面板声辐射比明显偏大，尤其在 300Hz 以上频带中高频声辐射。3）中通道结构声辐射比较大，与曲率板在 300Hz 处成跷跷板对称。4）加强梁对声辐射没有明显改善，与平板整体基本相当。5）夹层板对声辐射的表现较好，除 270Hz 处出现辐射峰值外，其余频带均对声辐射有显著抑制。6）补强贴片声辐射性能在分析频带内均表现较优。由不同方案下样件声辐射对比如图 8 所示，可知：图 7不同结构形式的声辐射性能图 8同结构形式变参数声辐射性能对比汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 161图 8同结构形式变参数声辐射性能对比（续）1）中通道结构对声辐射影响较为明显，梯形结构声辐射能力略优于于平板，矩形结构声声辐射能力在 350Hz以上均变大。350Hz 以下时，与中通结构尺寸有一定关系。2）较小面积（10%以下）的加强板结构对声辐射无明显影响。3）铺设单层 EVA 时，800Hz 以下声辐射能力降低，但 800Hz 出现拐点，高于此频率，声辐射能力会有一定升高。4）平板结构上安装加强梁，其对 400Hz 以上的声辐射影响较小，在 400Hz 以下低频，表现特征无明显规律。5）对加强梁进行一定处理，填充吸音棉时，声辐射能力无明显改变，但在加强梁上进行开孔处理，则声辐射能力明显放大，尤其在 200Hz 以上频带。6）补强贴片对声辐射均有好的改善，且在 300Hz以下低频表现更为明显，补强贴片覆盖率为 30%时，400Hz 以上频段声辐射能力与平板基本相当。4贡献量及灵敏度分析结合车型需求，锁定 6 个主要影响因素，进行基于不同变量的 DOE 设计分析，参数灵敏度分析见表 2。表 2参数灵敏度分析结构/声学包参数变量值加强梁板厚0.8mm，1mm，1.5mm，2mm，2.5mm加强板厚度1mm，2mm，2.5mm夹层板 1-中间夹层厚度0.8+3+0.8，0.8+2+0.8，0.8+0.5+0.8，0.8+0.2+0.8，0.8+0+0.8，夹层板 2-表面板厚度0.8+1+0.8，0.4+1+0.4，0.5+1+0.3，0.6+1+0.2，0.6+1+0.4，EVA+PU 1-EVA 厚度1mm，2mm，3mmEVA+PU 1-PU 厚度5mm，10mm，20mm，25mm，30mmEVA+PU 1-PU 密度40kg/m3，80kg/m3双密度毡 1-最上层密度优化1 000+180+1 200g/m2，1 200+180+1 200g/m2，1 600+180+1 200g/m2双密度毡 2-最下层密度优化1 400+180+800g/m2，1 400+180+1 000g/m2，1 400+180+1 400g/m2，1 400+180+1 600g/m2双密度毡 3-最下层厚度优化1 400g/m2+180g/m2+1 200g/m2单密度毡 1-密度优化800g/m2，1 000g/m2，1 400g/m2单密度毡 1-厚度优化5mm，15mm，30mm由参数灵敏度分析结果可知：1）加强梁和加强板厚度变化对振动辐射噪声及隔声的影响有限。2）夹层板中间层越厚，隔声性能越好。3）PU+EVA 中改变 PU 克重对辐射声功率和隔声无明显影响，但是改变 EVA 厚度对辐射噪声和隔声有明显改善。4）双密度毡、单密度毡的密度改变对辐射声功率和隔声没有明显影响，但是改变厚度有明显改善。IM汽车行业162 2023年增刊5前围声学仿真分析及优化设计5.1前围中频问题分析通过车内噪声分离，确定关注频带结构声与空气声的贡献水平。并将此问题作为前围子系统中频透过音问题分析优化的基础与参考。分析显示，车内中频成分是影响透过音的主要贡献，其中 125Hz、160Hz 及 315Hz 表现更为突出，且为结构声成分占优。本节分析中，即针对此频率段进行结构声辐射研究，确认防火墙是否存在此频率的声辐射问题（是否是传递路径上的原因），及主要的贡献区域，并提出相应的优化方案。5.2前围子系统声辐射特征分析基于安装声学包（EVA+PU）状态防火墙声辐射特性及振振传递特性进行分析，识别其与车内透过音问题频率的对应关系。如图 9 所示。125Hz 与 160Hz 声辐射无明显特征，应与防火墙路径关联性较小，后续不作为主要优化目标 315Hz 中心频率，前围子系统存在明显的声辐射幅值，且与车内噪声对应，需重点优化 400800Hz 频带，存在声辐射幅值，但车内噪声无明显响应，仅做一般性关注。图 9前围子系统辐射声功率（带 base 声学包）5.3前围子系统声辐射优化首先需要构建前围子系统模型，包括前围钣金、声学包、阻尼及流体声场。通过声功率分析结果，问题频带 315Hz 与 613Hz 仍为主要声辐射贡献，与整车及部件测试结果表现一致。基于关注频带模态叠加结果，可发现，当前主要贡献的模态区域为制动过孔周边区域、HVAC 安装区域及转向过孔下沿、流水槽左上沿。对影响因素进行分解，分解出 EVA 厚度、PU 密度和前围板厚度三个影响因素；结合相关工程经验，从抑制声辐射性能角度考虑，分解出贴敷减振材料、贴敷位置和贴敷面积三个影响因素，共计 6 个影响因素，进行基于不同变量的 DOE 设计分析，设计了 47 组仿真优化方案，对单变量及多变量的因素影响，逐一进行仿真计算，优化参数和变量见表 3。表 3优化参数和变量结构/声学包参数变量值前围板厚度0.8mm，0.7mmPU 密度65kg/m3，55kg/m3，45kg/m3EVA 厚度3mm，2mm，1mm阻尼材料参数BGL，BGR阻尼材料厚度2mm，1mm阻尼材料辐射位置以 315Hz 频带模态应变能及声辐射响应能量综合考虑阻尼材料贴敷比例100%，50%，25%，12.5%，6.25%，3.125%加强板加强倍率1 倍，2 倍，3 倍加强板贴敷比例100%，50%，3.125%通过 47 组方案的单参数、多参数的综合仿真分析，明确了各个参数的主次要影响因素，如图 1013 所示。1）主要因素：EVA 的厚度、贴敷阻尼材料面积、阻尼材料贴敷位置和前围板厚度。EVA 每增加 1mm，315Hz 声辐射效果可优化 3.5dB，重量增加 2kg；更换密度或更换材料，对 315Hz 的降噪影响均不大；阻尼在315Hz 的均有降噪效果，可以重点考虑轻量化及效果优化问题。图 10EVA 厚度影响汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 163图 11PU 密度影响图 12阻尼参数影响图 13阻尼覆盖影响2）次要因素：阻尼厚度、PU 材料密度。综合评估仿真及试验所确认的优化方案，最终选出可满足目标要求的可实施方案见表 4，并选取进行样车验证方案。表 4优化方案重量变化及问题频率改善情况方案重量变化平均值/g问题频率改善/dB平均值峰值方案一+96.25.674.46方案二-1 048.24.373.38方案三-1 227.83.162.356样件试制及装车验证分别进行原状态及 3 个不同优化方案状态样车测试，4 组方案实施如图 14 所示。分别进行不同工况下 3 挡 WOT 工况测试，对各状态进行多次测试，选取相同加速时间及加速度下不同方案车内噪声谱，并提取全转速段（1 5005 000r/min）谱平均及谱峰值数据。7结论1）平板理论模型的 FE-SEA 混合法建模方法对标合理，可以有效地开展前围模型中频的声学分析工作。2）仿真与试验识别的问题频率基本一致，且在1 000Hz 以下，说明基于 Actran 的 FEM 法建模方法即可对实际工作具有指导意义。3）加强板对结构声辐射有明显的抑制作用，大的加强板覆盖面积并不能起到正向的抑制作用，同样，对更小面积的加强板整体隔声较好。在加强板布置时，建议布置面积不大于基板面积的 20%。4）阻尼板无论对结构声辐射还是空气声隔绝均有正向作用。对结构声辐射的抑制表现在1001 000Hz全频带，且与覆盖面积无明显规律，对隔声的效果则与覆盖面积成正比，面积越大，隔声越好。5）声学包的施加在 200Hz 以上对结构声辐射的抑制有明显作用。对于双密度毡结构，软层密度影响较小，硬层密度越大，对 400Hz 以上声辐射效果明显；EVA+PU结构随 EVA 的厚度增大，对声辐射的抑制效果提高。在声包实际设计中，如采用双密度毡结构，建议硬层密度 1 400g/m2，如采用 EVA+PU 结构，建议 EVA 厚度 1.5mm。6）合理的声包设计可以实现在 NVH 性能不损失的IM汽车行业164 2023年增刊前提下减轻声学包重量。参考文献1 薛亮，黄森汽车 NVH 技术研究现状与展望 J研究与开发，2013(5)：78-812 李洪亮，丁渭平，王务林汽车噪声控制技术的最新进展与发展趋势 J汽车技术，2007(4)：1-43 马晓文基于统计能量分析方法的内燃机噪声预示D大连：大连理工大学，20074 韦开君，左曙光，吴旭东，等燃料电池车用离心压缩机窄带啸叫噪声实验测试与分析 J振动与冲击，2017，36(7)：14-215 CHEN S，CHEN G，WANG D，et alMulti-objective optimization of sound package parameters for interior high frequency noise 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