汽车车身设计-第五章

普通高等教育“十一五”国家级规划教材《汽车车身设计》第五章车身NVH特性研究提纲第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍第三节刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析第四节声固耦合系统的仿真分析一、声固耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析三、汽车NVH特性的诊断技术第五节统计能量分析及其应用一、概述二、统计能量分析的基本理论三、利用统计能量分析研究车内噪声四、能量流动方法第六节车内的降噪措施一、隔声与吸声二、车内噪声的主动控制第七节NVH特性研究的试验方法一、NVH特性的评价方法二、消声室内的噪声试验三、道路噪声试验•NVH–N—Noise（噪声）–V—Vibration（振动）–H—Harshness（声振粗糙感）–三者常同时出现且密不可分•汽车NVH特性–指在车室振动、噪声的作用下，乘员舒适性主观感受的变化特性–是人体触觉、听觉以及视觉等方面感受的综合体现，也可以用振动、噪声等性能的客观物理量加以衡量•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性•汽车上的振动–路面不平度引起的车身垂直方向振动–发动机不平衡往复惯性力产生的车身振动–转向轮的摆振–传动系的扭转振动等•特点①很多振动都是随机振动，通常用振动量的均方根值来衡量，并且按照频率加权计算②对人体舒适性影响较大的振动主要表现为界面点对人体输入的低频振动，频率范围1~80Hz左右③界面点：转向盘、仪表板、地板、座椅、耳旁•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性噪声•是NVH问题中很重要的部分•车内噪声–车身壁板振动产生的噪声–空气冲击摩擦车身形成的噪声–外界噪声源（如发动机、轮胎、制动器等）传入的噪声•车外噪声–城市环境主要的噪声源，必须严格控制•标准–车外噪声：•GB1495‐2002：汽车加速车外噪声小于88dB，M1类汽车应小于77 dB–车内噪声：•美国在1985年就规定公共汽车的车内噪声不得超过80dB•我国尚无强制性法规•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性噪声的计算•早期，以试验方法为主–利用诊断技术识别出噪声源，然后通过改进声源结构减小其产生的噪声，或切断噪声的传播途径来控制车内噪声•仿真计算–借助噪声分析软件，建立声学模型–预测车内噪声，分析其产生机理和传播途径，在产品设计阶段对噪声进行有效控制•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性声振粗糙感•指的是振动和噪声的品质•不是一个与振动、噪声相并列的物理概念•描述的是人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来度量•汽车的乘坐舒适性最终要表现为人体的感觉，所以声振粗糙感在NVH特性研究中占有十分重要的地位•汽车公司采用专家实际乘坐汽车的方式来最终评价汽车NVH特性•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性•1.噪声的客观量度•声压p——是指媒质受到声扰动后压强的改变量。设静态大气压强为p0，空气受到声扰动后的压强为p，则•声强I——在单位时间内流过垂直于声传播方向上的单位面积的平均声能通量•声压级•声强级•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性0Iwc•2、噪声的主观量度与计权声级–人耳对噪声的主观感受不但与声音的强弱有关，还与频率有关，在人耳敏感频段的声音听起来会更响一些–以1000Hz纯音为标准定义其声压级为响度级，单位为phon。其它频率声音的响度级通过与1000Hz的纯音相比较确定–将不同频率下同样响度级的各点连接起来，得到等响曲线•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性•2、噪声的主观量度与计权声级–为了使声音的量度与人耳听觉感受一致，在声级计等测量仪器上都设置了频率计权网络（即滤波器），对所测量的噪声信号按频带进行衰减–根据频率响应特性不同，计权网络可分为多种–A级计权网络•按照40phon等响曲线修正的，代表着人耳对低声压噪声响亮程度的感觉•与噪声对人体的危害程度有良好的相关性，最能反映人耳与噪声频率响应特性之间的关系•应用最为广泛•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性•汽车–激励源：发动机、传动系统、车轮和轮胎、不平路面和风等–传递器：悬架系统、悬置系统、车身结构系统–响应器：车身和车室空腔•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性•汽车–激励源：发动机、传动系统、车轮和轮胎、不平路面和风等–传递器：悬架系统、悬置系统、车身结构系统–响应器：车身和车室空腔•汽车上的NVH现象–描述乘员的主观感受–分为振动、噪声等多种感觉–将乘员的主观感受与客观的描述联系起来，用于对汽车NVH特性的评价与诊断•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性•车身系统是整车NVH系统的响应器，其振动响应特性直接影响着整车的NVH特性•车身作为振动、噪声传递途径中的重要环节，其声学传递特性也对车内的噪声水平有重要的影响•车内噪声–结构噪声：外界激励引起车身壁板振动产生的噪声–空气噪声：车室外通过车身孔隙进入车内的噪声•第一节汽车NVH特性一、概述二、声学基础理论三、汽车中的NVH现象四、车身的NVH特性•汽车NVH特性设计方法–建立在CAE基础之上–以改善汽车NVH特性为目标–声学设计方法：以降低车内总体噪声水平为目的•汽车NVH特性设计方法贯穿于新车型的研发过程，也在现有车型的改进设计中起到重要作用•第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍•整车研发过程中，NVH特性研究分为以下四个阶段：•第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍调研，对标，确定整车NVH特性目标1.整车仿真分析2.分级匹配各系统、子系统的NVH目标部件结构设计，实现子系统和整车的性能目标样车的试验与调整•整车水平的NVH目标在项目的早期制订•主要步骤：1.根据目标人群特点和顾客的驾驶评估确定与汽车NVH特性相关的重要项目，如：车内噪声、地板振动、转向盘抖动等2.制订主观NVH目标•对标、顾客和专家的驾驶评价•对将要开发汽车性能的未来规划•车内的噪声水平、振动感受等3.对标车试验，据此建立整车NVH目标•确定其客观性能•将主观NVH目标转化为客观的整车NVH目标–驾驶员耳旁声压级–敏感点加速度响应–车身振动模态频率等•研究并规划在这个市场定位水平上的未来NVH特性的改进趋势•第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍•整车水平的NVH目标包括：–与不平路面有关的前座椅振动、转向盘抖动–与风噪声有关的高速时的前座椅处的噪声水平–与动力总成有关的起动时的抖动–怠速期间驾驶员的右耳噪声和踏板振动水平等–汽车各系统模态频率的分配•第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍•不同系统和子系统的模态频率对于确定汽车整体NVH特性起着关键作用•例：–为防止共振，系统模态频率之间应该分离，并与激励频率分开–某汽车装备V6发动机，其稳态怠速转速650r/min；发动机首阶激励（第3阶）在32.5Hz，对转向柱的抖动特性影响很大–根据转向柱支承系统实际情况，将其垂直方向模态频率设置为29Hz，横向模态设置为36Hz，降低了转向柱管的抖动，改善了整车的NVH特性•第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍•分级–结合试验和CAE方法，指将整车NVH目标转化为车身结构、动力总成悬置等系统和部件目标水平的过程–例：一阶模态频率、车身接头刚度、车身在悬架上的安装部位刚度等–为设计人员提供相关部件设计的详细准则•第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍•车身系统的NVH特性目标包括–弯曲和扭转刚度–模态特性–声学振动灵敏度–噪声的衰减特性–动力总成的振动及其辐射的噪声–底盘悬架系统的动态特性等•第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍•新开发汽车的分级1.参考BIC汽车的基本数据实现2.BIC的系统和部件NVH特性水平作为初始设计目标3.再根据经验，结合实际情况进行修改，作为早期系统和部件的NVH目标4.结构设计师按照部件的目标要求进行结构设计•第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍•NVH设计过程中，为进行NVH目标的分级、评价，改善汽车的NVH特性，应建立用于整车NVH特性研究的CAE模型•不同子系统、不同NVH问题，采用的CAE方法不同–悬架、转向系等系统•研究其低频范围的动力学特性时主要采用多刚体系统动力学方法•对40Hz以下NVH特性的模拟非常准确–刚度较小的系统（如车身系统）•采用有限元方法建立弹性体（或柔体）模型，再与多刚体系统模型相结合，建立整车的刚弹耦合模型模拟•适用的频率范围也提高到200Hz以上•第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍•车内低频噪声的计算–一般是利用有限元方法实现①将车内空腔划分网格，建立有限元模型②车内空腔与车身结构模型耦合，建立声固耦合模型③计算车室空腔的声学特性，车内噪声响应•中高频（300Hz以上）NVH特性的仿真–应采用建立在空间声学和统计力学基础上的统计能量分析（SEA）方法•第二节NVH特性设计方法一、整车NVH目标的确定二、NVH目标的分级三、NVH设计中的CAE方法介绍•有限元方法+多刚体系统动力学方法，建立整车的刚弹耦合模型，预测车身的振动和车室内的声压•第三节刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析1．用模态方法描述弹性体—模态综合法•动力缩减‐部件模态综合法CMS–将有限元模型与多刚体模型相连接时，由于有限元模型的自由度数目巨大，因此必须将给定的动力学数学模型缩减为一个具有较少自由度的模型–模态综合法则是在有限元法基础上发展起来的一种对复杂结构进行振动分析的有效方法•第三节刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析1．用模态方法描述弹性体—模态综合法•动力缩减‐部件模态综合法CMS–模态综合法基本思想①把复杂结构分为若干部件(子结构)②每个部件可用计算或试验的方法求得模态参数③根据边界条件，将各子结构的模态特性叠加起来，再通过平衡方程和约束方程将物理坐标约简，得到用广义坐标(模态坐标)表示的运动方程，由此可计算组合系统的动态响应•第三节刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析1．用模态方法描述弹性体—模态综合法•动力缩减‐部件模态综合法CMS•第三节刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析1．用模态方法描述弹性体—模态综合法•通过超单元实现动力缩减，并将超单元模型转换为弹性体元件连接到多体系统动力学模型中•第三节刚弹耦合系统的仿真分析一、刚弹耦合系统的建模理论二、模型的建立与仿真分析1．用模态方法描述弹性体—模态综合法•弹性体有限元模型自由度–边界自由度uB。边界自由度不进行模态转换，当高阶模态被截断时，这些自由度不会丢失任何信息–内部自由度uI•弹性体模态–约束模态①分别使每一个边界自由度产