镁合金材料NVH特性及其汽车应用研究

摘要

镁合金具有诸多优点，如密度低、阻尼系数大、高比刚度、高比模量以及良好的电磁屏蔽性等。镁合金在汽车等领域的应用，对于提高汽车轻量化水平、降低能源消耗、减少排放污染、建立友好环境有着非常重要的意义。我国是镁合金储量、生产和出口最多的国家。本文基于“十二五”国家科技支撑计划项目和中-美-力口国际科技合作项目的支持，对镁合金NVH方面的特性展开了系统的研究。
　　通过脉冲响应衰减法对AZ31B镁合金板件、经过防腐处理之后的AZ31B镁合金板件进行阻尼特性测试，获得其阻尼损耗因子，并进行对比。实验结果表明，防腐处理在镁合金板件表面形成的环氧树脂层能有效提高其阻尼损耗因子。利用三点支撑法对不同厚度的AZ31和AZ31B镁合金板件的弯曲刚度进行实验研究，且获得了其杨氏模量。对等面密度的铝合金和钢质板件的比刚度进行了研究，并与AZ31和AZ31B镁合金的比刚度进行了对比。结果表明，镁合金板件的比刚度为钢质试件的93.2％，比铝合金试件高出20.6％。此外，还利用三点支撑法对不同焊接参数下搅拌摩擦焊连接AZ31B镁合金板件的弯曲刚度进行了研究。
　　利用四传感器驻波管法研究了不同形式AZ31镁合金板件在法向入射平面声波作用下的隔声特性，这些试件包括2mm和4mm厚AZ31镁合金板件、带孔隙材料的AZ31镁合金板件、带穿孔的AZ31镁合金板件、双层镁合金板件等。此外，还研究了不同防腐处理参数处理、不同搅拌摩擦焊焊接参数焊接对AZ31B镁合金隔声特性的影响。研究结果表明，防腐处理和搅拌摩擦焊连接分别提高和降低了板件的整体刚度，而且防腐处理提高了板件的阻尼损耗因子，所以防腐处理使得处理后板件的隔声性能明显提升，而搅拌摩擦焊试件的隔声性能则较处理前降低了。
　　通过引入新的声辐射阻抗的计算方法，证明了Hashimoto提出的声辐射问题研究的离散计算方法存在误差。利用声辐射阻抗计算的新方法，结合离散计算方法对AZ31镁合金的声辐射特性进行了实验研究，获得了其辐射声功率和声辐射效率，并与等面密度的钢质和铝合金试件进行了对比研究。
　　基于梯度优化理论，结合有限元方法对复合镁合金板件，包括AZ31镁合金带孔隙材料层、带孔隙材料层和泡沫材料层，进行了优化设计。对于双层镁合金复合板结构，优化后模型的隔声量较优化前最大提高了4.89dB。而孔隙材料的质量由优化前的4.59g降低到4.42g，降幅达3.8％。对镁合金三层复合板结构，优化后模型的最大隔声量提高了4.57dB。而孔隙材料和泡沫材料的总重由优化前的7.653g降低为7.626g，降低了0.35％。
　　结合拓扑优化方法和形貌优化设计方法对AZ31镁质仪表板进行结构优化设计，利用有限元和边界元方法对优化前后镁质仪表板的振动和声学特性进行了对比研究。通过对镁合金仪表板的优化前后的声透射特性的对比研究发现，两优化后仪表板（Opt1和Opt2）的透射声功率最大降低24.8dB。Opt2的质量较原模型降低了0.321kg，降幅达4.24％。可见，混合优化设计不仅能实现镁合金仪表板更好的隔声特性，还能有效降低其质量，实现轻量化设计。利用大质量法对优化前后的镁质仪表板进行随机激励下的振动响应分析，然后将振动分析的结果作为边界条件、结合边界元方法对其进行声辐射特性的研究。结果表明，优化后的镁合金仪表板模型在随机激励下的声辐射明显低于优化前。在300Hz下，Opt1和Opt2分别降低了15.25dB和15.78dB。可见，对镁合金仪表板进行优化设计能有效降低其随机激励下的辐射噪声。

目录

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致谢

摘要

图表目录

1．绪论

1．1 概述

1．1．1 镁合金发展概况

1．1．2 镁合金的应用

1．2 镁合金阻尼测试技术

1．2．1 镁合金的阻尼特性

1．2．2 阻尼测试方法

1．3 镁合金刚度测试技术

1．4 镁合金声透射特性研究

1．4．1 单层板的声透射研究

1．4．2 多层板的声透射特性研究

1．5 镁合金声辐射特性研究

1．6 结构声振特性的优化设计

1．7 论文的主要研究内容

2．镁合金材料阻尼、刚度特性的研究

2．1 阻尼测试理论

2．2 防腐处理对镁合金阻尼特性的影响

2．2．1 微弧电泳

2．2．2 防腐处理试件的制备

2．2．3 阻尼测试结果

2．3 镁合金刚度测试的理论

2．4 镁合金材料的刚度测试

2．5 搅拌摩擦焊接对镁合金刚度的影响

2．6 本章小结

3．镁合金的隔声特性研究

3．1 隔声特性的表征

3．2 平面声波下镁合金材料的隔声特性

3．2．1 平面声波下隔声研究方法

3．2．2 单层板的隔声特性

3．2．3 带孔隙材料的单层镁合金板的隔声特性

3．2．4 单层带孔镁合金板的隔声特性

3．2．5 防腐处理对其隔声特性的影响

3．2．6 搅拌摩擦焊接对隔声特性的影响

3．2．7 平面声波下双层镁合金板的隔声特性

3．2．8 双层板带孔结构的隔声特性

3．3 混响声场下镁合金的隔声特性

3．3．1 混响箱设计

3．3．2 混响箱混响效果检验

3．3．3 镁合金板在混响声场下的隔声特性

3．4 本章小结

4．镁合金的声辐射特性研究

4．1 声辐射特性实验方法的研究

4．1．1 声辐射问题的实验研究方法

4．1．2 声辐射测试精度改进

4．2 镁合金的声辐射特性研究

4．2．1 实验介绍

4．2．2 镁合金声辐射测试结果与分析

4．3 本章小结

5．基于梯度法的镁合金复合结构声学优化设计

5．1 概述

5．2 Delany-Bazley模型简介

5．3 梯度优化方法

5．3．1 梯度优化法的原理

5．3．2 对于搜索方向S(k)的算法

5．3．3 对于搜索步长α(k)的算法

5．3．4 NLPQL序列二次规划法

5．4 双层复合板结构的声学优化设计

5．5 三层复合板结构的声学优化设计

5．6 本章小结

6．基于混合优化方法的镁质仪表板声学设计

6．1 概述

6．2 优化设计理论

6．2．1 拓扑优化设计

6．2．2 形貌优化设计

6．3 随机振动理论

6．4 镁质仪表板的声学优化设计

6．4．1 仪表板模态分析

6．4．2 仪表板的优化设计

6．5 仪表板振-声特性优化前后的对比分析

6．5．1 仪表板优化前后的模态特性

6．5．2 仪表板优化前后的声透射特性

6．5．3 仪表板优化前后稳态激励下的声辐射特性

6．5．4 仪表板优化前后随机激励下的声辐射特性

6．6 本章小结

7．总结与展望

7．1 全文总结

7．2 主要创新点

7．3 未来工作展望

参考文献

作者简介