车辆系统结构振动和噪声的传递路径检测系统

摘要

一种汽车设计技术领域的车辆系统结构振动和噪声的传递路径检测系统，本发明中，车辆系统分析模型建立模块建立激励相关的总成、车身结构及声腔的模型，组建车辆系统分析模型；振动或噪声响应谱获取模块获取车身结构振动或者乘员室内结构噪声响应分析；传递路径功率计算模块计算各传递路径传递的功率和传递到车身结构的总功率；主传递路径检测模块对各传递路径的贡献量进行计算并排序，辨识主要的传递路径；优化设计模块辨识主要传递路径功率流传递的主要影响因素，应用优化设计方法改进相关总成特性参数与结构型式，验证车辆系统内参数或者结构改进后的减振降噪效果。本发明可提高传递路径辨识的准确性以及对其进行有效控制的可能性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种汽车工程技术领域的检测系统，具体是一种车辆系统结构振动和噪声的传递路径检测系统。

背景技术

随着现代汽车技术的不断进步，汽车产品向着高速化、轻量化方向发展，汽车的乘坐舒适性问题日益突出。车辆系统的振动与结构噪声是影响乘坐舒适性的重要影响因素。车辆系统受到外界激励作用，经相应的隔振系统或其它连接件传递至车身结构，最终到达乘员室内，使人感触到振动并且耳朵充满噪声。因此，乘员室内的结构振动和噪声问题本质是外界激励产生的振动能量经多维振动路径传递至乘员室内引发结构振动并辐射噪声的问题。研究多维振动传递系统的振动能量传递特性中，不同自由度对振动传递的具有不同程度的影响，而各自由度相应的广义力和速度单位不统一，导致振动传递特性表述不一致。为解决这一问题，引入了功率流理论从振动能量的角度揭示振动传递的机理。功率流理论既包含了广义力和广义速度两个物理量，又消除各自由度在单位上的差异，体现了振动传递的本质，在结构振动和噪声的传递路径控制领域的作用日益突出。

经对现有技术的文献检索发现，郭荣、万钢等在《汽车工程》2007年第8期上发表《燃料电池轿车车内噪声传递路径分析研究》，该文中对燃料电池轿车怠速工况车内噪声的传递路径进行分析，通过试验测量得到传递函数和实际激励力并合成车内噪声，进而结合各传递路径引起的噪声分量对总噪声响应的贡献分析识别出主要传递路径。该文中以作用于车身结构振动输入点的力为研究变量，不包含输入点的速度信息，没有考虑结构噪声响应与传递到车身结构总功率之间的关系，也没有从本质上体现出振动能量的传递过程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种车辆系统结构振动和噪声的传递路径检测系统，使其实现车辆系统内的振动或者结构噪声的多维耦合传递路径的检测以及传递控制，既可以应用于实验研究，也可以应用于数值仿真分析，从服务工程实际出发，使汽车产品在初始设计或样车试制阶段即可对车辆系统内的振动能量传递路径有清楚的认识，以便对传递路径进行控制来获得良好的车身振动响应与乘员室结构噪声响应特性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：车辆系统分析模型建立模块、振动或噪声响应谱获取模块、传递路径功率计算模块、主传递路径检测模块和优化设计模块，其中：

车辆系统分析模型建立模块根据所需研究的激励和响应，建立车辆系统内与激励相关的总成和车身结构及声腔的模型，并将两部分模型按照连接关系建立车辆系统分析模型；

振动或噪声响应谱获取模块利用车辆系统分析模型建立模块中建立的车辆系统分析模型，在施加载荷和约束条件后，获取车身结构上某点的振动响应谱或者乘员室声腔内某点的噪声响应谱，选取最高的响应峰值对应的频率作为问题频率，并将问题频率所对应的传递路径传输给主传递路径检测模块；

传递路径功率计算模块利用与振动或噪声响应谱获取模块中相同的车辆系统分析模型和载荷及约束条件，从车辆系统分析模型中获取各传递路径与车身结构连接点位置的力和速度，根据功率原始定义分别计算各传递路径传递的功率和传递到车身结构的总功率，总功率是所有传递路径传递的功率之和，并将功率值传输给主传递路径检测模块；

主传递路径检测模块利用传递路径功率计算模块传输的功率值，分别计算每一条传递路径传递的功率对传递到车身结构的总功率的贡献量，并依据各传递路径的贡献量值对各传递路径进行排序，其中振动或噪声响应谱获取模块获得的问题频率所对应的传递路径优先排序，然后主传递路径检测模块根据排序选取贡献量绝对值大并且为正数的传递路径为振动或噪声的主要传递路径；

优化设计模块针对主传递路径检测模块检测出的主要传递路径，分析该传递路径振动能量传递的影响因素，通过优化设计方法改进总成特性参数和结构型式等，并采用样车实验或者数值仿真分析来验证改进效果。

所述车辆系统分析模型建立模块，其通过实验测量或数值仿真建立车辆系统分析模型，若采用实验测量方法建立车辆系统分析模型，使用车辆系统的各总成实物，按照各总成之间的相互连接关系建立车辆系统的实验测试分析模型；若采用数值仿真方法建立车辆系统分析模型，通过有限元分析前处理软件建立车辆系统的各总成的有限元分析模型以及各总成之间的相互连接关系，组建车辆系统的有限元分析模型。

所述车辆系统分析模型建立模块，其建立的与激励相关的总成模型，包括两个部分：一部分是产生激励的总成，另一部分是产生激励的总成和车身结构之间的总成，起到传递激励的作用。

所述振动或噪声响应谱获取模块，其中的施加载荷和约束条件，可按照实验要求或者分析工况确定。

所述振动或噪声响应谱获取模块，其获取车身结构上座椅或后视镜等部位的振动响应以及声腔内驾驶员耳旁等点位置的噪声响应，通过频域响应谱内的响应峰值对比，选取最高的响应峰值对应的频率作为问题频率。

所述主传递路径检测模块，其通过判断每一条传递路径传递的功率在传递到车身结构的总功率中所占的比例和功率值的正负获得每一条传递路径传递的功率对传递到车身结构的总功率的贡献量。

所述优化设计模块，其针对车辆系统分析模型中原有的特性参数和结构型式，利用优化设计方法来获得最佳的参数或结构型式以及相互之间的最优匹配，并根据新的特性参数和结构型式改进车辆系统分析模型，重复调用振动或噪声响应谱获取模块；将车辆系统分析模型改进前后的振动响应或者噪声响应结果进行对比，如果未达到减振降噪的目的，则继续进行再优化，否则检测结束。

所述传递路径振动能量传递的影响因素，包括影响传递路径传递振动能量的不可控因素和可控因素，不可控因素为外界载荷，可控因素为结构的导纳形式，而结构的导纳形式是由各总成的动态特性参数(惯性参数、刚度参数和阻尼参数等)、连接关系以及各个总成之间的相互匹配关系等所决定的。

与现有技术相比，本发明具有如下有效果：本发明从振动能量传递的本质分析车辆系统内结构振动和结构噪声的传递过程，以功率流为基础、结合结构改进和参数辨识的常用设计方法形成的开放式的方法体系，不仅可用于实验研究，也可以应用于数值仿真模型作预测分析，面向工程应用，具有较强的可操作性。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：车辆系统分析模型建立模块、振动或噪声响应谱获取模块、传递路径功率计算模块、主传递路径检测模块和优化设计模块，其中：

车辆系统分析模型建立模块根据所需研究的激励和响应，建立车辆系统内与激励相关的总成和车身结构及声腔的模型，并将两部分模型按照连接关系建立车辆系统分析模型；

振动或噪声响应谱获取模块利用车辆系统分析模型建立模块中建立的车辆系统分析模型，在施加载荷和约束条件后，获取车身结构上某点的振动响应谱或者乘员室声腔内某点的噪声响应谱，选取最高的响应峰值对应的频率作为问题频率，并将问题频率所对应的传递路径传输给主传递路径检测模块；

传递路径功率计算模块利用与振动或噪声响应谱获取模块中相同的车辆系统分析模型和载荷及约束条件，从车辆系统分析模型中获取各传递路径与车身结构连接点位置的力和速度，根据功率原始定义分别计算各传递路径传递的功率和传递到车身结构的总功率，总功率是所有传递路径传递的功率之和，并将功率值传输给主传递路径检测模块；

主传递路径检测模块利用传递路径功率计算模块传输的功率值，分别计算每一条传递路径传递的功率对传递到车身结构的总功率的贡献量，并依据各传递路径的贡献量值对各传递路径进行排序，其中振动或噪声响应谱获取模块获得的问题频率所对应的传递路径优先排序，然后主传递路径检测模块根据排序选取贡献量绝对值大并且为正数的传递路径为振动或噪声的主要传递路径；

优化设计模块针对主传递路径检测模块检测出的主要传递路径，分析该传递路径振动能量传递的影响因素，通过优化设计方法改进总成特性参数和结构型式等，并采用样车实验或者数值仿真分析来验证改进效果。

所述车辆系统分析模型建立模块，其采用数值仿真方法，通过有限元分析前处理软件建立车辆系统的各总成的有限元分析模型以及各总成之间的相互连接关系，组建车辆系统的有限元分析模型。因所研究的对象是动力总成激励作用下产生的乘员室内结构噪声，所以车辆系统分析模型应包含与激励相关的总成模型、车身结构模型和声腔模型。

所述车辆系统分析模型建立模块，其建立的与激励相关的总成模型，产生激励的总成是动力总成，动力总成与车身结构之间的激励传递的主要总成则是悬置系统。动力总成以质量单元和刚性单元模拟，并赋予动力总成的惯性参数。悬置系统以广义的弹簧-阻尼单元模拟，以悬置系统的动态刚度频变特性作为单元属性。

所述车身结构模型采用壳单元，通过焊点单元将各车身结构板件连接成一个整体；乘员室声腔模型由四面体单元构成，赋予空气流体的属性。车身结构和声腔的单元属性如表1所示。

表1材料参数与物理特性参数

所述车辆系统分析模型，由动力总成模型、悬置系统模型和车身结构模型以及乘员室声腔模型构成，其中动力总成模型、悬置系统模型和车身结构模型之间通过对应结点的多点约束方式进行连接，车身结构模型与声腔模型之间则通过商业有限元分析软件的耦合计算功能自动实现界面连接的，不需要添加其它连接单元。

所述振动或噪声响应谱获取模块，其中的施加载荷和约束条件具体为：在车辆系统分析模型内的动力总成模型质心位置施加20Hz～200Hz的x向单位力和绕y轴的单位转矩，以橡皮筋悬挂为约束条件。

所述振动或噪声响应谱获取模块，其选取最高的响应峰值对应的频率作为问题频率，具体为：应用商业有限元分析软件，采用模态法求解乘员室内驾驶员耳旁的声压响应，174Hz～177Hz存在最高的的声压响应峰值，以174Hz～177Hz作为所关注问题频率段；

所述传递路径功率计算模块，计算各传递路径传递的功率，采用振动或噪声响应谱获取模块中建立的车辆系统分析模型和载荷及约束条件，并以同样的有限元分析软件，计算车辆系统分析模型内悬置系统与车身结构的三个连接点处的力和速度响应，根据功率的原始定义计算式

$P_i=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left[F_i{V}_i^{*}\right]=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left[F_i^{*}{V}_i\right]$

式中，P_i、F_i和V_i分别为任一连接点i处对应某一方向的功率、力和速度，*表示共轭转置，Re表示取实部。应用该式，分别计算流经每一个连接点按照三个平动方向的功率。

所述主传递路径检测模块，其通过判断每一条传递路径传递的功率在传递到车身结构的总功率中所占的比例和功率值的正负获得每一条传递路径传递的功率对传递到车身结构的总功率的贡献量，功率值的正负方向决定了贡献量的性质。

所述主传递路径检测模块，按照各个方向流经各个连接点的贡献量值大小和正负，对所有传递路径进行排序，其中问题频率段对应的传递路径优先排序，根据排序辨识出沿右连接点z向和后连接点z向的传递路径是主要的传递路径；

所述传递路径振动能量传递的影响因素，是将影响振动能量传递的影响因素区分为不可控因素和可控因素，对于可控因素中的结构导纳形式，车身结构模态是主要的动态特性之一。通过对车身结构模型采用有限元分析软件进行模态分析后，发现悬置系统与车身结构的右侧连接点处于局部共振区域边缘，z向变形较大，因此可以认为该部位的局部刚度是影响问题频率段功率流传递的主要特性参数。

所述优化设计模块，通过优化设计方法改进特性参数和结构型式并验证改进效果，在判断出影响功率流传递的主要特性参数为局部刚度之后，首先在该局部区域铺设两条加强筋，加强筋直径初步定为6mm，通过实验设计(DOE)的优化设计方法最终确定加强筋的直径为12mm；然后对车辆系统分析模型按照优化设计结果进行改进，重复调用振动或噪声响应谱获取模块再次进行数值仿真计算，计算得到的乘员室声腔内同一位置的声压响应；最后将获得声压响应与原声压响应对比可知：174Hz～177Hz频率段内的声压响应峰值下降幅度超过10dB。

本实施例从振动能量传递的本质分析车辆系统内结构振动和结构噪声的传递过程，以功率流为基础，结合结构改进和参数辨识的常用设计方法形成的开放式的方法体系，不仅可用于实验研究，也可以应用于数值仿真模型作预测分析，面向工程应用，具有较强的可操作性。本实施例中对于174Hz～177Hz频率段内的声压响应峰值下降幅度超过10dB，说明改进措施对振动能量的传递控制是有效的，降低了结构噪声响应。