基于响应面法的车身结构声学性能可靠性优化设计

摘要

汽车的NVH特性是衡量汽车设计及制造质量的一个重要指标，车内噪声已成为影响汽车乘坐舒适性和顾客决定是否购买该车的关键因素之一。因此，如何降低车内噪声水平，研究汽车车内结构噪声产生机理及控制方法，改善车内声学环境、提高车辆乘坐舒适性的方法和途径，将极大地提高汽车的声学设计水平和市场竞争力，具有重要的经济效益和社会效益。
　　 在汽车设计阶段，通过对结构进行拓扑优化以及敷设阻尼或吸声材料等措施均可有效改善结构的声学性能，提高市场竞争力。本文以国家“跃升计划”专项—中国高水平汽车自主创新能力建设（简称“中气专项”）的NVH项目为研究背景，运用有限元分析方法研究白车身一阶扭转模态问题，将响应面理论与可靠性理论相结合，提出了提高车身一阶固有频率的可靠性优化方法，改善了车身结构的振动性能;计算了从悬置点到驾驶员右耳处的车身噪声传递函数，通过板件贡献量分析识别出影响车内噪声较大的板件;基于可靠性优化方法，通过修改和优化板件的结构参数以及敷设阻尼材料等途径，减小板件振动，降低板件振动引起的辐射噪声。
　　 论文主要研究工作和创新成果有
　　 (1)建立了“中气专项”轿车车身结构和声固耦合的有限元模型，研究了系统的振动特性，对其进行了模态分析，发现其一阶整体扭转模态频率与发动机怠速激励频率较接近，有待改进。同时，为更直观的了解车内噪声水平，建立了车室声腔有限元模型，通过在车身前悬架处施加激励，计算了驾驶员右耳处的声压级,对车内结构噪声水平进行了仿真分析，确定了峰值声压及共振频率，为后续的车内噪声控制提供了指导。
　　 (2)针对“中气专项”轿车白车身一阶整体扭转模态频率偏低问题，运用模态灵敏度分析方法研究了一阶整体扭转模态对白车身所有板件厚度的灵敏度;对参考点声压峰值频率处车身板件结构的声学贡献量进行了分析，确定了对车内参考点（驾驶员右耳位置）的声压值影响较大的板件，从而为改进车身结构以提高白车身一阶整体扭转模态、降低车内噪声提供了依据。
　　 (3)针对车身结构参数的不确定性会导致车身振动性能确定性优化结果不可靠问题，将可靠性分析与优化技术相结合，提出了一种提高车身一阶固有频率的可靠性优化方法。该方法基于响应面方法构建车身结构优化近似模型，以车身总质量为目标，以车身结构一阶扭转模态频率为约束，对车身结构进行可靠性优化。对“中气专项”轿车车身结构振动性能的可靠性优化设计结果表明，采用该方法对车身结构进行优化，可提高车身结构的一阶固有频率，避免怠速共振，并有效降低了车内噪声水平，达到了可靠性优化设计的目的。
　　 (4)为了降低车内噪声，控制车身板件的辐射噪声，提出了一种通过修改结构以及添加阻尼材料进行车身结构声学性能可靠性优化的方法。该方法考虑了设计参数、约束条件的不确定性，以需要修改的板件厚度和敷加的阻尼参数为优化设计变量，以重要板件的质量和一阶模态频率为约束条件，板件的辐射声功率为目标函数，基于响应面模型对车身结构进行振动-声学可靠性优化设计。优化结果表明，该方法能有效降低车身板件的辐射噪声。
　　 本文在结构声学数值分析、响应面近似模型、板件贡献量分析和优化算法的基础上，将可靠性理论引入到车身结构声学性能优化设计中，提出了一种改善车身结构声学性能的可靠性优化设计方法，研究成果具有广阔的工程实际应用前景。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 车内噪声的产生及控制方法

1．2．1 车内噪声的产生

1．2．2 车内噪声的控制方法

1．2．3 阻尼材料在噪声控制中的应用

1．3 近似建模方法及可靠性优化理论研究综述

1．3．1 近似模型建模方法

1．3．2 可靠性优化设计

1．4 本文研究思路及内容安排

1．4．1 问题的提出

1．4．2 本文研究思路

1．4．3 内容安排

第2章 车身结构的模态分析

2．1 车身有限元建模

2．1．1 “中气专项”轿车简介

2．1．2 车身有限元建模

2．2 车身结构模态分析

2．2．1 车身结构模态分析的意义

2．2．2 模态分析

2．3 白车身模态分析

2．3．1 模态分析的步骤

2．3．2 模态分析结果

2．4 小结

第3章 基于响应面法的车身结构固有频率可靠性优化

3．1 试验设计

3．1．1 全因子试验设计

3．1．2 正交试验设计

3．1．3 均匀试验设计

3．1．4 拉丁超立方试验设计

3．2 响应面法基本理论

3．3 响应面模型的误差分析

3．4 可靠性优化理论

3．4．1 可靠性优化的意义

3．4．2 可靠性指标

3．4．3 基于响应面法的可靠性优化数学模型

3．5 基于响应面法的车身固有频率可靠性优化

3．5．1 设计参数的选择

3．5．2 响应面模型的建立

3．5．3 可靠性优化设计

3．6 小结

第4章 车身板件声学贡献量分析

4．1 车身声固耦合有限元分析

4．1．1 经典声学基本方程

4．1．2 声固耦合系统分析的有限元法

4．2 板件贡献量分析

4．3 “中气专项”轿车车身板件贡献量分析

4．3．1 “中气专项”轿车车身声固耦合有限元模型

4．3．2 车身噪声传递函数的计算

4．3．2 车身板件声学贡献量分析

4．4 小结

第5章 车身板件辐射噪声可靠性优化

5．1 板件辐射噪声的可靠性优化

5．1．1 板件辐射噪声分析

5．1．2 板件声辐射分析实例

5．2 概率区间混合模型的可靠度分析理论

5．3 车身板件辐射噪声可靠性优化设计

5．3．1 板件辐射噪声可靠性优化步骤

5．3．2 板件辐射噪声可靠性优化设计

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表和录用的论文目录