阻尼材料被廣泛應用於減振、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。合理的阻尼佈置是確保 NVH 性能的關鍵因素之一。
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、製造成本和燃油經濟性。對輕量化部門和 NVH 團隊來說,阻尼材料的佈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。
汽車地板、後備箱、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,我們基於經驗和最大應變能法進行地板的阻尼設計。但是我們並沒有阻尼精確模擬的技術手段,因此並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。」
汽車行業普遍的模擬做法是採用模態應變能法,獲取最大應變能的位置,並根據地板鈑金件的平整程度,在易於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 性能模擬時,普遍採用非結構質量模擬阻尼層,並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,並不能直接驗證阻尼方案的最終效果。
阻尼材料通常具有隨頻率變化的損耗因子。在模擬模型中不僅要體現阻尼材料與結構本身的貼附關係,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,並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模擬和測試對標。箱體的一個板件貼附阻尼材料,並測量此板件在激振器作用下箱體內的聲壓響應。
Actran 模擬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,而且模擬結果與實驗相比較,準確度非常高。
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 軟體求得),並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,而且便於研究每一個子區域對整個系統的影響。
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佈置。
利用 Actran 內置的優化工具包 NLOPT,並通過腳本二次開發,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。
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。「基於 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係,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於阻尼材料精確模擬的空白。基於 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。」
阻尼材料的鋪設攸關整車 NVH 表現與成本,但傳統模態應變能法難以驗證方案是否真的有效。北京汽車研究總院透過 Actran 的實體殼阻尼建模與 EA 能量分析,精確找出阻尼敏感位置並優化厚度,讓地板阻尼用量減少 25% 以上。
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