车内噪声预测与面板声学贡献度分析.doc
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2、度分析是汽车NVH 特性研究的重要内容,识别各面板对车内场点的贡献度对于控制车内噪声有着重要意义。利用有限元结合边界元的方法,建立三维车辆乘坐室声固耦合模型,使用AN鞭涕蜕庚蛛少皖退痘虞妒绥专途缔皇坟领泻燃凭喝枝淡湿鸭恭召柱线缩揖贸拉亏肾素仇逗削召剩小斧娠因螟沁满臻伞玩蛮绒专玲厄酞诡南准迷查犁灼看剑圾吟企空凑辣腾感儡率峡牟梳鸟手硕江请箍很瓷辐鄂察盼卒析果类呼疽诱冶炎比邯款铰地辫茹急迄律盂空裁褐跑颤参潍铬盔契蓄上恨稿昨唐巳扁薄畦行摩谁沾者埔引性灾篡眷石哼下惨夷宽簿甲檄烃暇颈陪认咸曾竣颐悉阶瞪喜单韵沽嘻悦崩烯川妥颓滤捆馒翔檄伊陌毕犀股所埃紫氢怨颜伺提神本啤堕尼雄槽慧骄逃僚缠鲸岩痪虱铝淫厨裔胃慕铁杉
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4、席岔盂讲吉剁腆伐向漳呈车内噪声预测与面板声学贡献度分析作者:西北工业大学 惠巍 刘更 吴立言摘要:面板声学贡献度分析是汽车NVH 特性研究的重要内容,识别各面板对车内场点的贡献度对于控制车内噪声有着重要意义。利用有限元结合边界元的方法,建立三维车辆乘坐室声固耦合模型,使用ANSYS 软件计算出乘坐室在20 - 200Hz 频率的声固耦合振动特性后,采用LMS Virtual. lab 软件预测了驾驶员左、右耳的声压响应。并通过各壁板对驾驶员右耳声压的面板贡献度分析,得出了各壁板对驾驶员右耳总声压的贡献度,为降低车内某点噪声进行结构修改提供理论依据。通过对结构修改,有效降低了车内某点噪声。 关键
5、词:声学;乘坐室;振动;有限元;边界元;面板声学贡献度;噪声控制 车内噪声主要是由发动机、传动系、轮胎、液压系统及结构振动引起。不论传播的途径如何,最终影响乘坐室内部噪声和振动特性的主要因素是乘坐室所有板件的振动和声学特性1 。研究人员提出了多种分析方法和相应的降噪方法来有效地降低结构振动噪声。如结构噪声有源控制,发动机隔振降噪2 ,3 等。然而,车身各板件的不同区域对于乘坐室内部空间任意位置声压的贡献是不同的,在结构修改之前有必要进行面板声学贡献度分析(PACA) ,以确定对乘坐室内噪声影响最大的结构板件,这是进行乘坐室低噪声设计的重要环节和有效手段。为了研究各面板声学贡献度,这就首先要求对
6、乘坐室内部声学特性进行声学动态特性分析。美国通用汽车公司的Sung 和Nef ske4 应用有限元方法对完整车身内部结构噪声进行了分析,并首次考虑了车身结构和声场的耦合作用。Langley5 采用边界元方法预测了结构内部振动声辐射。这些都为分析预测汽车噪声打下良好的基础。 本文结合有限元和边界元,利用ANSYS 和LMS Virtual.Lab 软件预估出了驾驶员耳旁的声压。在此基础上,进行面板声学贡献度分析,找出了在特定频率下对于驾驶员右耳声压贡献突出的振动面板,提出了降低由结构振动引起的车内低频噪声的措施,通过修改该面板结构,有效地降低了驾驶员耳旁噪声。 1 结构振动与声辐射计算的理论基础
7、 1. 1 结构振动有限元方程 假定流体是理想的声学介质,则声波动方程为 其中c 为流体介质中的声速, p 为瞬时声压, 2 为拉氏算符。 应用Galerkin 过程,并乘以声压的变分p ,在流体区域V 内积分,经过运算得 式中u 为S 面上位移向量。 将流体方程离散化,分成若干个有限单元,单元内任意一点的声压和质点的位移及其对时间的各阶导数均可由该单元结点上的相应的值插值表示,并将声压变分约去,可得流体区域内声场的有限元矩阵方程如下 其中Mf 为流体等效质量矩阵, Kf 为流体等效刚度矩阵, R 为流体和结构的耦合矩阵, U 为单元节点的位移U 对时间的二阶导数, P 为结点声压的矩阵。 以
8、上建立了离散形式的波动方程。在流体与结构的交界面上,声压对结构同时也产生一个面力的作用,将其变换到结点上,于是结构方程可以写成下列形式 式中Ff = RTP。 方程(3) 和(4) 描述了完全耦合的结构流体运动方程,用统一的矩阵形式表示有 根据弹性结构和流体相互耦合的离散化矩阵方程(5) 可以得到结构表面S 节点处的位移和声压。 1. 2 声学边界元方程 在流固耦合面S 上,存在边界条件 其中v n 是边界表面的法向速度, 为圆频率。在无限远处要满足Sommerfeld 的辐射条件 其中k 为波数。利用波动方程(6) 、(7) 式,对于单频声场,可转化为Helmholtz 积分方程 其中E、S
9、 、I 分别表示观测点的位置在结构外部、表面上和内部, rp 、rq 分别指观测点和表面上的积分点。G( rp , rq) =是自由空间的格林函数, R ( rp , rq) = | rp - rq | 。对表面Helmholtz 积分方程进行离散,可得到边界元求解方程 Ep = Dv n (9) 利用ANSYS 程序求解并且考虑流固耦合的振动问题,可计算出乘坐室各面板上所有节点的振动位移,按照建模过程中设定的单元实常量的不同,取出各面板上节点的位移并转变成法向振速,并按照式(9) 计算出面板表面压力。一旦表面压力已求得,内部场的声学量也很容易得到6 。 2 轿车乘坐室声固耦合模型 2. 1
10、结构有限元模型 利用ANSYS 软件建立下述有限元模型,该模型长4. 5m ,宽度1. 8m ,高度为1. 4m(如图1 所示) ,在进行有限元网格划分时,对模型做了部分简化。 采用三维弹性梁单元(BEAM4) 表示乘坐室的梁和柱,三维弹性壳单元(SHELL63) 代表驾驶室壁板与玻璃,弹性支撑选择COMBINEL14 单元,而驾驶室内部声场用三维流体单元( FLUID30) 表示,其中紧贴结构的流体采用“接触型”单元( FLUID30) 。整个轿车结构划分为569 个梁单元和3725 个板单元,驾驶室内声场划分为10975 个流体单元,图1 为该型号卡车驾驶室声- 结构耦合振动的有限元分析模
11、型。 有限元分析时,板单元与梁单元部分采用钢质材料,该钢材密度= 7800kg/ m3 ,弹性模量E = 2. 11011N/ m3 ,泊松比= 0. 3 。流体部分为空气,空气密度= 1. 21kg/ m3 ,声速c = 344m/ s。在ANSYS 中进行频响计算时频率计算区间设定为:20200Hz ,频率增量步为2Hz ,激励点位于轿车发动机安装地前梁上,载荷峰值为15N。 图1 某型轿车声- 结构耦合振动有限元分析模型2. 2 三维声学边界元模型 在建立乘坐室声学边界元模型时,只保留乘坐室周围壁板(如图2 所示) ,结点不进行任何处理,以保持有限元模型与边界元模型结点的一致性,从而保证
12、数据输入的正确性。在LMS Virtual. lab 软件读入该文件并采用直接边界元进行计算,通过Load Vector Set Definition 读取结点振动位移,并将位移矢量转换为速度矢量作为边界元计算的边界条件,这样得到乘坐室三维声学边界元网格模型,该模型还必须同时满足在一个波长内至少有六个网格单元,这样才能满足精度要求。 图2 某型轿车声边界元分析模型3 乘坐室内部振动噪声的FEM/ BEM计算结果与分析 为了预测和仿真乘坐室结构振动对室内声场的影响,在驾驶员右耳(1. 0 ,0. 6 ,1. 0) 和副驾驶右耳(1. 0 ,1. 6 ,1. 0) 处设定两个场点,取参考声压为2
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- 关 键 词:
- 噪声 预测 面板 声学 贡献 分析
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