CN104965442A - 确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法 - Google Patents

Abstract

确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法，涉及汽车工程技术领域，解决现有方法确定在白车身结构上粘贴自由阻尼层位置时没有考虑阻尼材料的频变问题，无法在车身板件振动的特征频率范围内选择合适的自由阻尼层材料，无法最大化利用自由阻尼层材料的阻尼减振效率等问题，该方法通过对车身结构进行有限元建模和模态分析，得到车身结构的各阶模态应变能的大小和分布，对所述应变能进行叠加，得到车身结构的综合模态应变能，提取综合模态应变能高于门限值的位置进行阻尼处理，计算车身结构各板件在实施阻尼减振的频率范围内各阶模态频率下进行自由阻尼层处理的各单元应变能之和，选择损耗因子频变的自由阻尼层材料，实现最佳的减振效果。

Description

确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法

技术领域

本发明涉及车辆工程技术领域，具体涉及一种确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法。

背景技术

在汽车白车身薄壁板件上粘贴阻尼材料是目前广泛应用的车身结构振动控制方法。按照阻尼材料结构的不同可分为自由阻尼层处理和约束阻尼层处理两类。自由阻尼处理是将薄片阻尼层材料直接粘贴在金属结构表面上，在结构弯曲振动变形时通过阻尼层材料分子链间的摩擦消耗振动能量。自由阻尼层处理方法由于其结构简单，容易在车身结构上实施而在车辆工程领域得到广泛应用。

然而，自由阻尼层材料在白车身结构上的粘贴位置和材料类型等因素会影响阻尼复合结构的动态特性和减振效果，需要对白车身结构振动特性进行分析来确定这些参数的最佳组合，才能够获得最好的减振效果。同时从汽车轻量化和成本控制的角度考虑，应该以尽可能少的阻尼材料用量来获得最有效的减振效果，从而提高阻尼材料使用的性价比。

白车身上薄壁板件数目多，并且各板件对车身振动和车内噪声的影响程度各不相同。在对白车身进行自由阻尼层处理时，首先应该确定在白车身上粘贴自由阻尼层的最佳位置。目前，国内在白车身上进行自由阻尼层处理的方法主要是依照汽车振动噪声(NVH)工程师的经验或者参考先进对标车型自由阻尼层粘贴位置的方法进行，由于不同白车身结构振动特性和局部模态各不相同。这种方法不仅会增加白车身阻尼减振处理的成本，也达不到良好的阻尼减振效果。

目前，汽车常用的自由阻尼层材料主要是粘弹性阻尼材料，它是一种兼具粘性液体和弹性固体特征的材料，其阻尼损耗因子会因材料配方、厚度、温度和基体结构振动频率不同而发生变化，但用于白车身阻尼减振处理的自由阻尼层材料因使用温度变化不大，阻尼层厚度受到限制(一般为2～5mm厚)，以避免占据较大的车内空间，因此通常选择阻尼损耗因子高、及其随频率变化关系特性满足白车身减振要求的材料。

由于阻尼损耗因子频变自由阻尼层材料在结构不同的振动频率下其损耗因子是随频率变化的，从而使自由阻尼层材料在需要减振的频段内其减振效果也是随频率变化的。白车身板件在不同频率下其振动特性不同，在某个特定的频率或频段内振幅可能会出现明显峰值，使板件局部振幅加大，向车内辐射的噪声也增大。因此在选择自由阻尼层材料时应该将材料频变特性考虑进去，针对板件振动的特征频率范围选择合适的自由阻尼层材料，进而发挥自由阻尼层材料最大的阻尼减振效率。

发明内容

本发明为解决现有方法确定在白车身结构上粘贴自由阻尼层位置时没有考虑阻尼材料的频变问题，进而无法在车身板件振动的特征频率范围内选择合适的自由阻尼层材料，无法最大化利用自由阻尼层材料的阻尼减振效率等问题，提供一种确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法。

确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、建立白车身结构的有限元模型；

步骤二、根据步骤一中所述的有限元模型，在实施阻尼减振的频率范围内对车身结构进行有限元模态分析；

步骤三、根据步骤二获得的白车身结构有限元模态分析结果，计算在实施阻尼减振的频率范围内所述白车身结构上每个网格单元的各阶模态应变能，并对所述每个网格单元的各阶模态应变能进行叠加，获得所述白车身结构综合模态应变能分布；

步骤四、根据阻尼减振要求和步骤三获得的车身结构综合模态应变能分布结果，确定在白车身结构上要实施自由阻尼层处理单元的综合模态应变能门限值，并在综合模态应变能大于所述门限值的位置粘贴自由阻尼层材料，确定出在白车身结构上粘贴自由阻尼层材料的位置；

步骤五、根据步骤四中确定的自由阻尼层在白车身上的粘贴位置，提取所述粘贴位置处的网格单元，计算在实施阻尼减振的频率范围内各阶模态频率下白车身结构上选定网格单元的模态应变能之和，根据结构模态应变能之和随频率变化的规律性，确定白车身上粘贴自由阻尼层区域高于综合模态应变能门限值两倍的特征频率范围，对白车身结构进行损耗因子频变自由阻尼层减振处理。

本发明的有益效果：

1、本发明提出一种基于车身结构综合模态应变能信息确定自由阻尼层材料粘贴位置的方法。白车身结构的综合模态应变能分布能够很好地反映出其在所考虑频段内的振动水平，白车身结构综合模态应变能大的区域在受到外界激励作用、当激励频率与结构局部模态频率相同或相近时就会激起结构产生较大振动。因此可以根据车身综合模态应变能分布信息确定自由阻尼层材料粘贴位置，以充分发挥自由阻尼层材料的减振效果。

2、本发明需要模态应变能信息可以通过对白车身结构进行模态分析获得，利用有限元方法及相应的软件就可以计算出在所考虑频段内的模态应变能，在白车身产品开发设计阶段很容易实施。

3、本发明在确定车身结构自由阻尼层粘贴位置时考虑了粘弹性阻尼材料的频变特性。由于粘弹性阻尼材料的损耗因子是随频率变化的，为了使白车身结构获得最佳的阻尼减振效果，本发明提出了一种根据白车身结构综合模态应变能随频率变化关系来确定自由阻尼层材料特征频域的方法，进而选择在该特征频率范围内具有较高损耗因子的自由阻尼层材料，为更有针对性地选择车身结构自由阻尼材料提供了方法。

附图说明

图1为某轿车白车身结构有限元模型示意图；

图2为前地板综合模态应变能分布云图；

图3为后地板综合模态应变能分布云图；

图4为顶板综合模态应变能分布云图；

图5为防火墙板件综合模态应变能分布云图；

图6为顶板综合模态应变能门限值大于15％的单元分布；

图7为顶板附加自由阻尼层材料布置图；

图8为顶板综合应变能随频率变化的关系曲线；

图9为两种自由阻尼层材料损耗因子的频变曲线；

图10无阻尼和粘贴两种自由阻尼层材料顶板中心加速度响应；

图11为采用本发明所述的确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法实现的效果图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图10说明本实施方式，确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法，该方法用来指导车身结构自由阻尼层的布置位置以及自由阻尼层材料类型的选择。该方法是基于车身结构综合模态应变能信息来进行的，通过对车身结构进行有限元建模和模态分析，能够得到车身结构实施阻尼减振的频率范围内各阶模态应变能的大小和分布。在该频率范围内对车身结构各阶模态应变能进行叠加，得到车身结构的综合模态应变能分布，根据车身结构综合模态应变能分布信息，在不考虑自由阻尼层损耗因子大小随频率变化的情况下，提取车身结构综合模态应变能高于门限值的位置进行阻尼处理，能够使车身获得较好的阻尼减振效果。然后，计算车身结构各板件在实施阻尼减振的频率范围内各阶模态频率下进行自由阻尼层处理的各单元模态应变能之和，确定车身上综合模态应变能高于门限值两倍的频率范围作为特征频域，选择合适的自由阻尼层材料，使其在选定的特征频域内具有较高的阻尼损耗因子，从而能够更充分发挥自由阻尼层材料的阻尼减振作用，使车身获得最佳的阻尼减振效果。该方法由以下步骤实现：

步骤一、建立白车身结构的有限元模型；

步骤二、根据步骤一中所述的有限元模型，在实施阻尼减振的频率范围内对车身结构进行有限元模态分析；

步骤三、根据步骤二获得的白车身结构有限元模态分析结果，计算在实施阻尼减振的频率范围内所述白车身结构上每个网格单元的各阶模态应变能，并对所述每个网格单元的各阶模态应变能进行叠加，获得所述车身结构综合模态应变能分布；

步骤四、根据步骤三获得的车身结构综合模态应变能分布结果和阻尼减振要求，确定在白车身结构上要实施自由阻尼层处理单元的综合模态应变能门限值，并在综合模态应变能大于所述门限值的位置粘贴自由阻尼层材料，确定出在白车身结构上粘贴自由阻尼层材料的位置；

步骤五、根据步骤四中确定的自由阻尼层在白车身上的粘贴位置，提取这些位置处的单元，计算在实施阻尼减振的频率范围内各阶模态频率下白车身结构上选定单元的模态应变能之和，确定白车身上粘贴自由阻尼层区域高于模态应变能门限值两倍的特征频率范围。选择合适的损耗因子频变自由阻尼层材料。使其在选定的特征频域内自由阻尼层材料具有较高的阻尼损耗因子，来对白车身结构进行频变自由阻尼层减振处理，以便能够充分有效地发挥自由阻尼层材料的阻尼减振作用，获得最佳的阻尼减振效果。

本实施方式中考虑到车身结构复杂，数模较大，为了减少计算工作量可以仅对车身上面积和振动较大，需要进行自由阻尼层处理的主要板件如前后地板、顶棚、防火墙隔板、轮罩、车门等进行模态应变能的计算。

本实施方式中计算每个网格单元模态应变能和综合模态应变能的方法为：在白车身结构模态分析中，第i阶模态的第j个单元的模态应变能定义为：

MSE_ij＝{Φ_i}^T[K_j]{Φ_i}    (1)

式中，{Φ_i}为第i阶模态振型向量；[K_j]为第j个单元的刚度矩阵；{Φ_i}^T为第i阶模态振型向量的转置。

对每个网格单元的前N阶模态应变能进行叠加，得到单元的综合模态应变能为：

${\mathrm{MSE}}_j=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{MSE}}_{ij}---\left(2\right)$

本实施方式中确定自由阻尼层粘贴位置的方法是根据车身结构综合模态应变能的分布及其门限值，提取综合模态应变能大于门限值的位置作为自由阻尼层粘贴合理位置。确定车身上具有较高综合模态应变能的特征频率区域，以及损耗因子频变自由阻尼层材料类型的方法，是根据结构综合模态应变能随频率变化的规律性，确定车身板件上综合模态应变能大于门限值两倍的频段对应的频率范围作为特征频域，进而选择在该频率范围内具有较高损耗因子的自由阻尼层材料。

结合图1说明本实施方式，图1为某轿车车身结构的有限元模型。车身结构所用的基本材料主要为钢，钢的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7900kg/m³。由于车身结构复杂，包含的板件数量较多，为了减少计算量可以只对车身阻尼处理的主要部件：前后地板、顶棚、轮罩、防火墙隔板、行李箱地板等进行模态应变能的计算。首先将车身结构划分为前后地板、顶板、防火墙隔板等板件。

结合图2至图5，通过有限元实模态分析得到各个板件在要实施阻尼减振频段(如20Hz～200Hz)内各阶模态的单元应变能，并对各阶模态的网格单元应变能进行叠加，得到各板件单元综合应变能分布的环状等高线图，从综合模态应变能环状等高线图中可见，各板件上环状等高线上各点代表综合应变能数值相等，内侧小环上的点比外侧大环上的点综合应变能大(如图3中的2.4比1.9的综合模态应变能大，图4中的3.7比3.1的综合模态应变能大)，环状曲线内侧的数字值代表综合模态应变能的大小，数值越大表示综合模态应变能越高。在进行阻尼减振处理时，需要在综合模态应变能高的区域粘贴自由阻尼层，在所研究的典型车身板件中顶板的综合模态应变能最高，高能网格单元集中在顶板的中间部位呈现“∞”形分布。下面以汽车顶板为例进行自由阻尼层布置分析。结合图4，顶板的综合模态应变能分布集中在顶板中心，处于三根顶棚横梁中间的区域，靠近后横梁的区域比靠近前横梁的区域的综合模态应变能分布范围更大。

确定对顶板要实施自由阻尼层处理的综合模态应变能门限值为15％，提取顶板上综合单元应变能大于15％的单元，这些单元所在的位置如图6所示。当不考虑自由阻尼层损耗因子大小随频率变化特性时，即可根据综合模态应变能门限值确定出顶板上自由阻尼层的粘贴位置，如图7所示。

当需要考虑自由阻尼层损耗因子大小随频率变化关系时，根据前面得到的车身顶板模态应变能计算结果，求解在各阶模态频率下顶板的模态应变能，得到顶板的综合模态应变能随频率的变化关系特性如图8所示。从图中可以得出，在20～140Hz的频率范围内顶板的综合模态应变能很小，从140Hz开始，顶板的综合模态应变能明显增大，在140Hz～200Hz的频率范围内顶板综合模态应变能均值为114，尤其是在160Hz和187Hz附近出现了几个明显的峰值。

在选择自由阻尼层材料的时候，应该选择其阻尼损耗因子在140Hz～200Hz较大、在187Hz附近达到峰值的自由阻尼层材料，以便能够充分发挥阻尼材料的减振作用。

SZR601和SA-3分别为汽车车身减振处理上常用的自由阻尼层材料,它弹性模量的均值分别为725MPa和652MPa，泊松比均为0.45，材料密度分别为2700kg/m³和1755kg/m³，其阻尼损耗因子随频率的变化关系如图9所示。其中SZR601自由阻尼层材料的损耗因子随频率变化的关系满足上述分析中对阻尼材料频变特性的要求，故采用该种阻尼材料对车身顶板进行自由阻尼层处理，汽车顶棚钢板的厚度为0.7mm，频变自由阻尼层的厚度为2mm。

结合图10和图11，为了检验上述两种阻尼材料对汽车顶板的阻尼减振效果，在车身顶板的四个顶点处施加10Hz～300Hz的单位激励力，分别计算在同一位置处敷设两种自由阻尼层材料及无阻尼时顶板中心在20Hz～200Hz频率范围内的振动加速度响应，计算结果如图10。结果表明按照本发明选用损耗因子频变自由阻尼层SZR601处理后顶板的加速度响应峰值从28.3m/s²下降到6.5m/s²，减振效果是十分显著的。图11为除顶棚外其它白车身主要部件粘贴自由阻尼层的位置效果图。

Claims (3)

1.确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、建立白车身结构的有限元模型；

步骤二、根据步骤一中所述的有限元模型，在实施阻尼减振的频率范围内对白车身结构进行有限元模态分析；

步骤三、根据步骤二获得的白车身结构有限元模态分析结果，计算在实施阻尼减振的频率范围内所述白车身结构上每个网格单元的各阶模态应变能，并对所述每个网格单元的各阶模态应变能进行叠加，获得所述白车身结构综合模态应变能分布；

步骤四、根据阻尼减振要求和步骤三获得的车身结构综合模态应变能分布结果，确定在白车身结构上要实施自由阻尼层处理单元的综合模态应变能门限值，并在综合模态应变能大于所述门限值的位置粘贴自由阻尼层材料，确定在白车身结构上粘贴自由阻尼层材料的位置；

步骤五、根据步骤四中确定的自由阻尼层在白车身上的粘贴位置，提取所述粘贴位置处的网格单元，计算在实施阻尼减振的频率范围内各阶模态频率下白车身结构上选定网格单元的模态应变能之和，根据结构模态应变能之和随频率变化的规律性，确定白车身上粘贴自由阻尼层区域高于综合模态应变能门限值两倍的特征频率范围，对白车身结构进行损耗因子频变自由阻尼层减振处理。

2.根据权利要求1所述的确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法，其特征在于，对自由阻尼层处理网格单元的各阶模态应变能的计算主要是对白车身的主要板件包括前后地板、顶棚、防火墙隔板、轮罩和车门进行模态应变能的计算。

3.根据权利要求1所述的确定损耗因子频变自由阻尼层在白车身上粘贴位置的方法，其特征在于，步骤三中计算单元模态应变能和综合模态应变能的方法为：

在白车身结构模态分析中，第i阶模态的第j个单元的模态应变能定义为：

MSE_ij={Φ_i}^T[K_j]{Φ_i}       （1）

式中，{Φ_i}为第i阶模态振型向量；[K_j]为第j个单元的刚度矩阵；{Φ_i}^T为第i阶模态振型向量的转置。

对每个网格单元的前N阶模态应变能进行叠加，得到单元的综合模态应变能为：