阻尼材料在汽车NVH开发中的应用

刘 伟Liu Wei



阻尼材料在汽车NVH开发中的应用

刘 伟Liu Wei

（长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

车辆NVH性能是汽车研发中一项重要指标，车身阻尼结构的振动和吸隔音特性是影响车内空腔声学响应的重要因素。以国内某车型为例阐述阻尼材料在车辆NVH开发中的具体应用，通过对阻尼材料的选材及结构优化，降低车内关键频率段的噪声声压级，提升车内空腔的声学品质。

阻尼；声学；优化

0 引 言

随着汽车技术的不断发展，客户对汽车性能要求与日俱增，对车内振动、噪声要求越来越苛刻，车辆的NVH性能直接影响着客户对车辆的选择，所以车辆的NVH性能是整车企业发展及盈利的重要保证。阻尼材料是一种减振降噪材料[1]，它在车身中的合理应用可以大大提升整车的NVH品质，从而提升车辆在市场中的竞争力，是车辆NVH开发工作不可缺少的重要因素。

1 仿真建模及分析优化

国内某款车型在NVH性能提升阶段需要针对问题频率段开展减振降噪工作，车身结构基本固化需要通过优化阻尼板来降低车内振动噪声。利用分析软件计算驾驶员右耳声学响应，采用ATV（Acoustic Transfer Vectors，声学传递向量）方法以驾驶员右耳处场点声压为输出，以包围车内声腔的板件的法向振速为输入，计算该系统在场点声压响应各峰值的ATV，在发动机的悬置点处加上力的频谱作为激励，利用车身模态分析结果，采用模态叠加法计算出车身板件表面的振动速度[2]。目的是确保阻尼材料的合理性和针对性，控制成本的同时，最大限度地提升车内NVH性能。

1.1 车内声学响应分析机理

外力激励引起的车内声压响应是振动在车身结构和声腔的噪声传递函数，通过传递函数方法计算声学灵敏度P/F（响应点声压/激励点激励力），由传递路径分析得到车内的声压响应，从而得到车内考查点的声压响应。

式中，为角频率；F()为激励力；/ F()为声学灵敏度。

考虑由发动机激励引起的车内声学响应，分析模型为声腔和Trimbody的耦合模型，只考虑结构和空腔的声学响应，不考虑内饰等吸隔音材料的影响，响应点为驾驶员右耳位置。

1.2 分析模型建立

空腔有限元模型基于平均单元尺寸大小为50 mm的四边形面网格建立空腔体网格单元，并考虑仪表板、前围板、座椅等对空腔模态的影响。

车身Trimbody模型主要考虑发动机、仪表板、转向盘、座椅、开闭件、风挡玻璃、车窗、前后大灯、内外饰、电器元件等质量对车身的影响，其中内外饰、电器元件等采用质量点单元模拟，其他均采用有限元网格模拟。采用整体划分单元法建立自由阻尼处理薄板及板梁组合结构的有限元模型，以便对表面阻尼处理结构进行结构动态特性分析。整体划分单元法是把约束层、阻尼层和基体层看成一个整体，能更好地体现出阻尼结构各层之间协调关系，使各层之间在整个结合面上位移协调，具有单元总数少、运算省时、精度高等优点[3]，如图1所示。

1.3 阻尼材料的应用

阻尼材料主要用于地板、顶棚、前围板、后隔物板和后翼子板等。地板主要采用热熔型阻尼材料，顶棚主要采用约束型，前围板采用自粘型和发泡型，后隔物板采用约束型，后翼子板主要采用磁性阻尼材料[4]，如图2所示。

1.4 阻尼材料优化

1.4.1 声学灵敏度分析

在车身壁板阻尼层结构声学灵敏度分析的基础上对阻尼层结构的组合进行优化，使得在关键频带下车内声压级最小，实现车内降噪。

建立数学模型，选取关键频率段80～130 Hz，对阻尼层结构进行优化，将此频率段的驾驶员右耳传递函数降至55 dB以下。

1.4.2 设计变量

以不同结构的阻尼层厚度为设计变量参数，厚度变化范围为±3 mm。

=（1，2，3，4，5，67，8）

其中，1为后隔物板阻尼层厚度，选用约束层阻尼；2为车顶棚阻尼层厚度，选用约束层阻尼；3为前围板阻尼层厚度，选用发泡型、自粘型阻尼；4为车门内板阻尼层厚度，选用热熔型自由层阻尼；5为前地板阻尼层厚度，选用热熔型自由层阻尼；6为中地板阻尼层厚度，选用热熔型自由层阻尼；7为后地板阻尼层厚度，选用热熔型自由层阻尼；8为后翼子板阻尼层厚度，选用磁性阻尼材料。

1.4.3 约束条件及目标值

约束条件为阻尼材料质量最小，目标值为驾驶员右耳声压值低于55 dB。

1.4.4 优化结果

优化前、后阻尼材料的厚度变化见表1。

表1 阻尼材料厚度优化结构 mm

设计变量优化前优化后变化量 h156.7+1.7 h243.2-0.8 h385.1-2.9 h456.2+1.2 h567.3+1.3 h664.2-1.8 h764.1-1.9 h852.2-2.8

优化后车身阻尼板质量降低1.6 kg，后隔物板、车门内板和前地板等位置阻尼板厚度有所增加，车顶棚、前围板、中后地板、后翼子板等位置阻尼板厚度有所减少，前围和中后地板处阻尼板对车内噪声贡献较大，灵敏度较高。

仿真分析结果显示优化后在80～130 Hz频率段内驾驶员右耳噪声传递函数（Noise Transfer Function，NTF）有明显降低，总体在55 dB以下。其他频率段内，传递函数也有不同程度降低，基本能够保证在55 dB以下，如图3所示。

2 实车验证

2.1 阻尼材料厚度修正

基于仿真分析优化结果及现有产品实际厚度，修正车身阻尼板厚度从而实现工程化，修正后阻尼板厚度及变化量见表2。

表2 阻尼材料厚度修正结果 mm

设计变量优化前优化后修正后变化量 h156.77+2 h243.23-1 h385.15-3 h456.26+1 h567.37+1 h664.24-2 h764.14-2 h852.22-3

2.2 样件装车

依据修正结果制作阻尼板样件并装车验证，地板及顶棚布置如图4、图5所示。

2.3 效果验证

在粗糙沥青路面，以80 km/h车速测试驾驶员右耳处噪声水平，并与方案优化前进行效果对比，客观测试数据显示，在问题频率100～140 Hz范围内噪声峰值下降2～3 dB（A），主观评价车内嗡嗡声基本消除，车内噪声环境改善显著，满足设计要求。车内噪声测试数据如图6所示。

3 结束语

1）车身阻尼材料的合理使用能够降低100～140 Hz范围的车内噪声水平；

2）仿真软件能够开展阻尼材料分布及厚度优化工作，能够快速提出优化方案，实车验证说明仿真分析结果的有效性，大大缩短开发周期，能够满足实际工程需要；

3）车身阻尼材料的合理使用不但可以降低成本还能有效控制车内噪声，为提升车辆NVH品质提供了设计方向。

[1]李洪林. 沥青阻尼材料在汽车上的应用与发展[J]. 汽车技术，2003（12）：34-36.

[2]朱林森，周鋐，赵静. 基于模态应变能分析和板件单元贡献分析的车身阻尼处理[J]. 汽车技术，2010（10）：8-11.

[3]吴桢，左言言，葛玮. 车身阻尼处理降噪的有限元分析[J]. 噪声与振动控制，2010，30（3）：81-84.

[4]邓江华，刘献栋，李兴虎，等. 车身阻尼层结构的声灵敏度分析及优化[J]. 噪声与振动控制，2009，29（1）：54-57.

1002-4581（2017）03-0052-03

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10.14175/j.issn.1002-4581.2017.03.014