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汽車振動噪聲分析方法匯編

一、經(jīng)典方法

四分之一汽車模型和二分之一汽車模型。在設(shè)計初期或者在做模型研究的時候，往往采取這種形式。這種模型一般用來分析汽車最基本的頻率和振型特征，也可以用作其他用途，如研究汽車動力特性。概念設(shè)計階段，在知道了汽車基本參數(shù)之后，就可以迅速計算出整車的振動特征。

二、有限元方法

經(jīng)典方法只適合于分析很低頻率的整體模態(tài)。如果要考慮整車中各個系和部件的局部振動，以及修改汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計，上面的方法就無能為力了。汽車是一個彈性結(jié)構(gòu)，整體和局部振動特征都很重要。于是在分析整車低頻振動問題和建立模型時，必須考慮到其結(jié)構(gòu)特征和彈性特征。

目前，用得最為廣泛的方法是有限元分析。在粗略分析整車各個系統(tǒng)振動特征時，可以建立網(wǎng)格相對粗的模型。當(dāng)要對整車振動特征進(jìn)行細(xì)致分析時，就必須建立網(wǎng)格非常細(xì)的模型。通常這種模型中節(jié)點(diǎn)間的距離僅為5mm，一部整車的有限元模型的節(jié)點(diǎn)和單元可以達(dá)到幾百萬個甚至上千萬。有限元方法是一項(xiàng)非常成熟的分析方法，能夠準(zhǔn)確的預(yù)估整車和各個系統(tǒng)的模態(tài)和模態(tài)頻率，并且能動態(tài)演示整車模態(tài)。

有限元方法是用有限單元將結(jié)構(gòu)彈性域或空氣域離散化，根據(jù)力學(xué)方程或聲波動方程，得到聯(lián)立代數(shù)方程式，通過求解代數(shù)方程式得到結(jié)構(gòu)彈性或聲傳播空氣域中的振動和聲特性。

有限元法需將結(jié)構(gòu)有限單元離散化。結(jié)構(gòu)劃分的單元愈多，自由度也就愈多，計算精度也愈高，但計算時間也愈長。結(jié)構(gòu)劃分的單元的振動頻率必須高于要計算的整體結(jié)構(gòu)的振動頻率，否則單元需進(jìn)一步劃分。單元的劃分需與計算精度匹配。有限元分析方法在汽車方面的應(yīng)用有：汽車零部件有限元分析、懸架結(jié)構(gòu)有限元分析、車架有限元分析、車身有限元分析、輪胎有限元分析、汽車碰撞有限元分析和汽車結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計等。

三、邊界元方法

有限元方法非常適合低頻結(jié)構(gòu)振動模擬和分析。有限元方法也可以模擬和分析振動和聲的耦合，但對聲空間的模擬和分析基本沿用對結(jié)構(gòu)振動的處理方法，常常限于封閉空間。當(dāng)聲空間體積增大，模態(tài)密度急劇增大，有限元方法的運(yùn)算量急劇增大，此時有限元方法有局限性。相比之下，邊界元方法對處理結(jié)構(gòu)聲輻射、聲散射和結(jié)構(gòu)聲腔問題有獨(dú)特的優(yōu)越性，因而在實(shí)際中得到應(yīng)用。

邊界元方法首先需要知道系統(tǒng)邊界條件。結(jié)構(gòu)邊界條件一般是如下三種之一：

• 已知結(jié)構(gòu)表面的復(fù)聲壓(Dirichlet邊界)；

• 已知機(jī)構(gòu)表面的復(fù)振動速度(Neuman邊界)；

• 已知結(jié)構(gòu)表面的復(fù)阻抗(混合或Robin邊界)。

邊界元方法需要結(jié)構(gòu)表面的復(fù)聲壓或復(fù)振動速度兩個物理量之一作為輸入，然后根據(jù)邊界條件計算出結(jié)構(gòu)表面另一物理量。作為輸入，結(jié)構(gòu)表面的復(fù)聲壓或復(fù)振動速度可以實(shí)測得到，也可以通過計算得到。對于結(jié)構(gòu)表面復(fù)振動速度的計算，邊界元方法常常借用有限元方法。整車結(jié)構(gòu)振動分析使用有限元模型，車內(nèi)空腔的聲場分析使用邊界元模型。

四、多體系統(tǒng)動力學(xué)方法

多體系統(tǒng)是對某類客觀事物的高度抽象和概括，這類系統(tǒng)都具有一個共同的特點(diǎn)，即它們都是通過特定的關(guān)節(jié)(鉸鏈)將諸多零(部)件-即所謂的“體”聯(lián)接起來的；因此我們把多體系統(tǒng)定義為以一定的聯(lián)接方式互相關(guān)聯(lián)起來的多個物體構(gòu)成的系統(tǒng)，這些物體可以是剛體也可以是柔體。如果多體系統(tǒng)中所有的體均為剛體，則稱該系統(tǒng)為多剛體系統(tǒng)；如果多體系統(tǒng)含有一個以上的柔體，則稱為柔性多體系統(tǒng)。

多體系統(tǒng)動力學(xué)是一般力學(xué)學(xué)科的一個重要分支，其理論基礎(chǔ)為剛體動力學(xué)、分析力學(xué)、有限元理論、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、計算力學(xué)、控制理論等。在汽車的應(yīng)用為：汽車碰撞過程中人體動力學(xué)響應(yīng)仿真計算，懸架系統(tǒng)多體系統(tǒng)動力學(xué)等。

五、統(tǒng)計能量分析法

統(tǒng)計能量分析是個模型化分析方法，它運(yùn)用能量流關(guān)系式對復(fù)合的、諧振的組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性、振動響應(yīng)級及聲輻射的理論評估,是一種在時間上和空間上的統(tǒng)計特性,這些能量流關(guān)系式在組成組裝結(jié)構(gòu)的各種耦合的子系統(tǒng)(如板、殼等)之間具有一個簡單的熱類比。在應(yīng)用統(tǒng)計能量分析理論時,將車輛劃分為若干個子系統(tǒng),并假定各子系統(tǒng)之間的主要能量流是由于結(jié)構(gòu)共振或聲學(xué)模態(tài)引起的,即統(tǒng)計能量分析通常是關(guān)于各個共振振蕩器組之間的能量或功率流分析。振動功率損失和功率流動規(guī)律可以用水箱模型描述。

統(tǒng)計能量分析作為一種分析方法，其更重要的作用在于列出主要噪聲貢獻(xiàn)，以及預(yù)測不同設(shè)計對車內(nèi)噪聲的相對影響。目前，統(tǒng)計能量分析在預(yù)測和分析車內(nèi)空氣噪聲的應(yīng)用比較普遍，而預(yù)測和分析車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲卻是研究的多，應(yīng)用的少。其中一個重要局限是在汽車研發(fā)初期無法預(yù)測結(jié)構(gòu)耦合損耗因子。建立大量的類似結(jié)構(gòu)的耦合損耗因子數(shù)據(jù)庫可以在一定程度上緩和這個局限性，但其工作量大，而且即使有了數(shù)據(jù)庫，可能仍然很難滿足車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲分析的所有需求。另一方面，傳遞路徑分析方法發(fā)展很快，逐漸成為分析車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的主要方法。

六、傳遞路徑分析方法

復(fù)雜系統(tǒng)受多種振動噪聲源的激勵，每種激勵都可能通過不同的路徑，經(jīng)過衰減，傳遞到多個響應(yīng)點(diǎn)。為了降低振動噪聲，對各種傳遞路徑進(jìn)行預(yù)測和分析，并采用矢量疊加方法。這種分析方法就叫傳遞路徑分析方法，因?yàn)槭褂昧耸噶刊B加方法又叫矢量疊加法。這種方法國內(nèi)研究的還不多，但不難理解。傳遞路徑分析是用于分析振動聲學(xué)能量通過結(jié)構(gòu)和聲學(xué)路徑從源到接受者的傳遞，目的是評價各路徑對總的振動噪聲量級的貢獻(xiàn)大小，使得工程師可以識別出解決規(guī)定問題需要修改的部件。

傳遞路徑分析中首先需要明確所需要分析的激勵點(diǎn)，這根據(jù)不同的問題而定。如，車身問題只需考慮地盤與車身耦合出的力激勵；整車問題就要考慮車軸處、發(fā)動機(jī)懸置減振器處、空氣壓縮機(jī)懸置減振器處，甚至活塞和氣缸缸壁之間的力激勵。明確所需分析系統(tǒng)的耦合點(diǎn)后，下一步就需要估計各種耦合激勵力和各種傳遞函數(shù)，工作量常常很大。

建立一個整車傳遞路徑分析模型有很多方法。有純粹基于實(shí)驗(yàn)測試的方法，也有純粹基于數(shù)值計算來得到傳遞函數(shù)建立模型的方法。但更多的是混合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計算建立模型。

七、模態(tài)綜合方法

世紀(jì)60年代從航天工程中發(fā)展起來的解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動問題的有效方法。美國W.C.赫梯等人提出此法，以后被推廣應(yīng)用于非線性振動和隨機(jī)振動響應(yīng)分析。模態(tài)綜合是將一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解成若干個較為簡單的子結(jié)構(gòu)。在弄清各子結(jié)構(gòu)振動特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)對接面上的協(xié)調(diào)條件將這些子結(jié)構(gòu)合成一總體結(jié)構(gòu)，然后利用各子結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)得出總體結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)。

用此法進(jìn)行系統(tǒng)固有特性的求解和動力響應(yīng)分析，只需計算子結(jié)構(gòu)的少數(shù)幾個主模態(tài)(主振型)，因此能有效地縮減自由度而不改變系統(tǒng)的物理本質(zhì)。固定界面法和自由界面法用得較為成功。此法已用于航空航天、動力、車輛、船舶和海洋工程的動力分析，效果顯著。

模態(tài)綜合方法可以減少整車結(jié)構(gòu)分析時工作量巨大的難度。首先將車輛結(jié)構(gòu)分為若干個子結(jié)構(gòu)(或部件)，然后對每個子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析(計算的或試驗(yàn)的)，得到子結(jié)構(gòu)的動力特性，然后再根據(jù)子結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)結(jié)條件，利用子結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性和模態(tài)坐標(biāo)建立起來的聯(lián)結(jié)方法，將已經(jīng)獲得的子結(jié)構(gòu)的模態(tài)動力特性進(jìn)行綜合，從而得到整車結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性。

模態(tài)綜合方法對結(jié)構(gòu)的動力修改也十分方便。修改往往是局部的，運(yùn)用模態(tài)綜合方法，只需對修改過的子結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行計算分析或動力試驗(yàn)，然后將所有的子結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性進(jìn)行綜合，最終獲得修改后的整體結(jié)構(gòu)的動力特性。