案例分析 | Actran輔助車身地板阻尼優化

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“以前我們主要基于測試或者簡化的仿真進行車身阻尼設計,并沒有阻尼材料的精確仿真、布置位置和幾何參數優化的技術手段。采用Actran仿真分析并與MSC Nastran聯合使用可以精確模擬阻尼的特性和效果,通過阻尼的布置位置和幾何參數合理優化起到平衡NVH性能與阻尼材料使用量目的”

--吳列,北汽股份研究院NVH部長及專業總師



背景
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阻尼材料被廣泛應用于減振、降噪中。為了保證乘客的舒適性以及較低的振動和噪聲環境,車身地板上應用阻尼材料以降低車身的振動水平,避免車身結構產生大量的輻射噪聲。合理的阻尼布置是確保NVH性能的關鍵因素之一。
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車用阻尼材料有多種類型,常用的有瀝青阻尼、橡膠阻尼、水性阻尼等。不同阻尼材料的成本不同,貼附的工藝方式不同,環保質量不同,阻尼性能也有所差別。阻尼材料的選擇和使用直接關乎NVH性能、制造成本和燃油經濟性。對輕量化部門和NVH團隊來說,阻尼材料的布置和厚度選擇都充滿了挑戰。工程師既要選擇合適的阻尼材料,又要控制阻尼材料的重量,同時還要保證整車的性能。



行業挑戰
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汽車地板、后備箱、輪罩、車門等位置都可以鋪設阻尼結構以降低振動噪聲。“以前,我們基于經驗和最大應變能法進行地板的阻尼設計。但是我們并沒有阻尼精確仿真的技術手段,因此并不確定這樣的方案是否最優,除非去做實驗驗證。” 北京汽車股份研究院NVH部長及專業總師吳列說道,“在實車驗證時如果車的聲學性能不過關,再根據經驗在樣車上增加阻尼的使用。但是我們不確定這種方法是否是最有效、最經濟的。”
汽車行業普遍的仿真做法是采用模態應變能法,獲取最大應變能的位置,并根據地板鈑金件的平整程度,在易于貼附的位置大面積使用阻尼材料。這就帶來兩個問題:一、不確定模態應變能法識別出的位置是否對路噪、發動機噪聲等真實載荷真的有效;二、無法得知方案是否可以達到真正控制振動噪聲的目的。國內汽車NVH團隊在進行阻尼的NVH性能仿真模擬時,普遍采用非結構質量模擬阻尼層,并對車身結構定義經驗性的模態阻尼來近似體現阻尼材料的效果。這與實際阻尼鋪設方案有很大差別,并不能直接驗證阻尼方案的最終效果。
“汽車市場的競爭越加劇烈,我們急迫需要找到一種可以精確模擬阻尼材料振動噪聲性能的CAE方法,”吳列總師說道,“能夠針對實際載荷響應進行阻尼的優化,在保證車輛性能的前提下控制成本。”


解決方案
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阻尼的精確模擬

阻尼材料通常具有隨頻率變化的損耗因子。在仿真模型中不僅要體現阻尼材料與結構本身的貼附關系,還需要模擬貼附位置處,阻尼材料為結構帶來的損耗。在Actran中通過實體殼單元模擬阻尼材料層,并將材料的損耗因子定義到楊氏模量中,準確模擬阻尼材料的阻尼作用。
在進行車身阻尼建模前,首先通過定制箱體進行仿真和測試對標。箱體的一個板件貼附阻尼材料,并測量此板件在激振器作用下箱體內的聲壓響應。

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定制箱體貼附阻尼的仿真模型和實驗圖片

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某水性阻尼實驗和仿真結果對比


Actran仿真模型不僅對阻尼的位置、厚度、材料以及阻尼損耗進行精準的建模,而且仿真結果與實驗相比較,準確度非常高。

阻尼的優化布置

Actran的EA能量分析方法可實現系統的自動分塊,在每一個子區域內組裝質量和剛度陣(通過MSC Nastran軟件求得),并進行空間和頻帶的能量計算。這種方法比傳統的有限元計算方法計算效率更高,而且便于研究每一個子區域對整個系統的影響。

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地板單元分片圖

通過EA方法可快速的進行實際工況載荷下車內噪聲對阻尼的敏感度分析。據此,可優化出阻尼對車內噪聲影響最大的位置。可進一步在原方案基礎上刪減敏感度不高的阻尼,或增加敏感度較高位置的阻尼布置。

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原地板上的阻尼分布

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每個單元片施加阻尼的聲腔聲壓響應

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利用Actran內置的優化工具包NLOPT,并通過腳本二次開發,針對保留的阻尼區域進行厚度的優化。在保證原聲學性能的基礎上,尋找出每組阻尼片最佳的厚度。

結果
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“Actran的引入幫助我們建立針對阻尼材料的車輛輕量化與NVH性能的綜合評估能力,通過仿真優化與測試驗證在某車型上使得阻尼的使用量減少25%以上,單車降成本超過10元。”

--王智文,北汽研究總院輕量化技術部部長

通過路噪的實驗驗證,新的阻尼方案下車內噪聲與原阻尼方案相當。“基于Actran的車身地板阻尼優化方案不僅讓我們首次獲得了車內噪聲與阻尼位置及材料的關系,而且完成了阻尼的位置及厚度的優化。使得地板上阻尼的使用量減少25%以上,單車降本超過10元。” 北京汽車研究總院輕量化技術部部長王智文說道。“Actran的引入填補了我們對于阻尼材料精確仿真的空白。基于Actran的這一套優化方法可以進行減重設計,也可以進行噪聲的優化,實用且靈活,幫助我們建立針對阻尼材料的車輛輕量化與NVH性能的綜合評估能力。

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(左)駕駛員內耳噪聲測試數據   (右)右后乘客內耳噪聲測試數據

綠色為優化阻尼方案,紅色為原阻尼方案


北京汽車研究總院有限公司作為北汽集團全資子公司,定位為北汽集團研發資源共享平臺,主要負責商品企劃、造型設計、試驗驗證、動力總成、智能網聯和前瞻性技術或產品研發工作,與北汽各整車企業進行業務協同,并提供專業服務和技術支持。

北京汽車股份有限公司汽車研究院是北京汽車為實現北京汽車工業集團化發展戰略目標,構筑自主研發平臺,提升自主創新能力,打造“北京汽車”自主品牌而出資組建的研發中心,建立了完整的整車系統開發流程,擁有整車核心零部件的開發、關鍵子系統技術集成和整車系統集成開發能力,成為北京汽車自主品牌乘用車的研發基地。


文章來源:MSC大中華區Actran高級工程師白玉儒編寫



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