汽車振動(dòng)噪聲分析方法概述

　　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(jì)初期或者在做模型研究的時(shí)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(dòng)力特性。概念設(shè)計(jì)階段，在知道了汽車基本參數(shù)之后，就可以迅速計(jì)算出整車的振動(dòng)特征。應(yīng)用軟件有MATLAB等。

　　MATLAB是美國MathWorks公司開發(fā)的大型數(shù)學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件系統(tǒng)，它提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能，簡單易用，可信度高，靈活性好，在世界范圍內(nèi)被科學(xué)工作者、工程師以及大學(xué)生和研究生廣泛使用，目前已經(jīng)成為國際市場上科學(xué)研究和工程應(yīng)用方面的主導(dǎo)軟件。

　　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(gè)系和部件的局部振動(dòng)，以及修改汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上面的方法就無能為力了。汽車是一個(gè)彈性結(jié)構(gòu)，整體和局部振動(dòng)特征都很重要。于是在分析整車低頻振動(dòng)問題和建立模型時(shí)，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(gè)系統(tǒng)振動(dòng)特征時(shí)，可以建立網(wǎng)格相對粗的模型。當(dāng)要對整車振動(dòng)特征進(jìn)行細(xì)致分析時(shí)，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(gè)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(gè)系統(tǒng)的模態(tài)和模態(tài)頻率，并且能動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)算精度也愈高，但計(jì)算時(shí)間也愈長。結(jié)構(gòu)劃分的單元的振動(dòng)頻率必須高于要計(jì)算的整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率，否則單元需進(jìn)一步劃分。單元的劃分需與計(jì)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(jì)等。應(yīng)用軟件有ANSYS等。

　　ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)。

　　它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer， NASTRAN， Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。

　　軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。

　　前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;

　　分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

　　軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

　　三、邊界元方法

　　有限元方法非常適合低頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)模擬和分析。有限元方法也可以模擬和分析振動(dòng)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(dòng)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(shí)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：

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

　　2.已知機(jī)構(gòu)表面的復(fù)振動(dòng)速度(Neuman邊界);

　　3. 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(dòng)速度兩個(gè)物理量之一作為輸入，然后根據(jù)邊界條件計(jì)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(dòng)速度可以實(shí)測得到，也可以通過計(jì)算得到。對于結(jié)構(gòu)表面復(fù)振動(dòng)速度的計(jì)算，邊界元方法常常借用有限元方法。整車結(jié)構(gòu)振動(dòng)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。應(yīng)用軟件有SYSNOISE等。

　　SYSNOISE軟件是比利時(shí)一家國際著名的振動(dòng)和聲學(xué)測試分析軟件公司-LMS 公司的大型聲學(xué)計(jì)算分析商品軟件。該軟件在聲學(xué)計(jì)算分析領(lǐng)域中占據(jù)國際領(lǐng)先地位，它為噪聲控制專業(yè)工程技術(shù)人員提供了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始階段，預(yù)報(bào)和解決聲學(xué)問題，受到一致好評。美國的 NASA(國家航空航天中心)、FORD 汽車公司、MOTOROLA 通訊公司和BOSE 音箱公司，國內(nèi)著名大學(xué)、研究所和一些著名的大公司，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中船總公司第 701 研究所、第 719 研究所、上海大眾汽車工業(yè)公司等都購買了該軟件。

　　其主要功能有：

　　1、聲輻射計(jì)算

　　聲輻射計(jì)算是 SYSNOISE軟件最基本的功能。結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲輻射。結(jié)構(gòu)振動(dòng)可以是實(shí)際測得的速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，或者是由有限元或其他方法計(jì)算得到的速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。SYSNOISE本身具有振動(dòng)響應(yīng)的有限元方法計(jì)算功能，也可以從測得的模態(tài)數(shù)據(jù)和給定的激勵(lì)計(jì)算速度響應(yīng)。SYSNOISE進(jìn)一步可以利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)表面的聲壓和結(jié)構(gòu)周圍的聲場分析。

　　2、聲散射計(jì)算

　　3、空氣噪聲傳遞計(jì)算:結(jié)構(gòu)-聲場耦合系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度分析

　　Sysnoise的主要應(yīng)用方向：

　　SYSNOISE預(yù)測聲波的輻射、散射和傳遞，以及聲學(xué)載荷引起的聲學(xué)響應(yīng)?？捎?jì)算得到的結(jié)果包括：聲壓，輻射功率，質(zhì)點(diǎn)速度，聲強(qiáng)，板塊貢獻(xiàn)量，能量密度，聲-振靈敏度，純模態(tài)，結(jié)構(gòu)撓度，等等。

　　為了描述聲學(xué)媒質(zhì)，SYSNOISE利用了最先進(jìn)的數(shù)字方法。它們基于直接和間接邊界元方法，或者聲學(xué)有限元/無限元的聲學(xué)方程。結(jié)構(gòu)本身用結(jié)構(gòu)有限元模型表達(dá)，可以從所有主流結(jié)構(gòu)有限元和網(wǎng)格生成工具導(dǎo)入。所有分析模塊都完全集成在核心環(huán)境中，支持多模型和三維圖形。

　　SYSNOSIS有強(qiáng)大的集成前、后處理功能，有網(wǎng)格檢查和修正工具。后處理可以畫彩圖，矢量場，變形后的結(jié)構(gòu)，以及XY圖線，柱狀圖和極坐標(biāo)圖，還包括動(dòng)畫顯示和聲音回放。