CN110309548B - 以等效辐射声功率为优化目标的水性阻尼材料优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种以等效辐射声功率为优化目标的水性阻尼材料优化方法，首先在白车身有限元模型的薄壁板上采用实体单元建立阻尼层有限元模型，然后约束阻尼材料的质量并以等效辐射声功率最小化为目标进行拓扑优化，最后将优化后的阻尼层敷设在车身声‑固耦合有限元模型上并求解噪声传递函数以验证阻尼优化的效果。本发明在白车身上以等效辐射声功率为目标对水性阻尼材料进行拓扑优化，实现了在减少阻尼材料的用量前提下，降低车身薄壁板结构的等效辐射声功率的目标，从而提高了阻尼材料的利用率。

Description

以等效辐射声功率为优化目标的水性阻尼材料优化方法
技术领域
本发明属于结构优化设计领域，尤其是涉及一种以等效辐射声功率为优化目标的水性阻尼材料优化方法。
背景技术
汽车在行驶过程中，车身的薄壁板结构受到来自轮胎、动力系统及发动机等的激励作用后，很容易产生振动，并向车内辐射噪声。而在车身敷设粘弹性阻尼材料的方法能起到显著的减振降噪效果，因此其深受汽车设计者们的青睐。水性阻尼涂料具有卓越的附着力和减振降噪性能，并且相较于传统的沥青阻尼材料更加环保，因此，它在轨道交通、汽车、船舶和工程机械等行业中得到了普遍应用。
传统的车身薄壁板结构通常基于车身结构模态应变能和板件贡献量来确定阻尼敷设位置，但是该方法难以精确定位阻尼敷设位置，造成阻尼材料浪费。于是不少学者和工程师提出运用动力学拓扑优化技术来设计车身阻尼材料。如以某激励点的NTF(噪声传递函数)峰值最小化为优化目标进行阻尼拓扑优化，采用该方法进行阻尼拓扑优化的确可以降低该NTF峰值，但是没有考虑对其他激励点下的响应峰值造成的影响或者可能出现新的峰值，故而其在工程应用中具有一定的局限性。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种以等效辐射声功率为优化目标的水性阻尼材料优化方法，实现了在减少阻尼材料的用量前提下，降低车身薄壁板结构的等效辐射声功率的目标，从而提高了阻尼材料的利用率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
以等效辐射声功率为优化目标的水性阻尼材料优化方法，包括如下步骤：
1)建立白车身有限元模型及阻尼层有限元模型，并通过计算频率响应输出白车身薄壁板的ERP响应；
2)以ERP响应最小化为目标，以阻尼材料质量为约束，建立阻尼材料拓扑优化模型；
3)输出阻尼层的拓扑优化结果，将优化后的阻尼层形状规整化并计算阻尼优化后的白车身薄壁板的ERP响应，之后对比未敷设阻尼层、敷设优化前的阻尼层和敷设拓扑优化后的阻尼层的白车身薄壁板的ERP响应；
4)判断阻尼层优化后的ERP响应是否满足目标要求，若是，那么执行步骤5)，否则重新设置质量约束条件执行步骤2)直至满足目标要求；
5)将优化前的阻尼层和优化后的阻尼层分别敷设在白车身的声-固耦合有限元模型中，计算噪声传递函数，对比未敷设阻尼层、敷设优化前的阻尼层和拓扑优化后阻尼层的NTF响应；
6)判断阻尼层优化后的NTF响应是否满足设计要求，若是，则完成阻尼材料的优化设计，否则执行步骤2)重新设置质量约束条件直至满足优化设计要求。
进一步的，在步骤1中，以实体单元方法建立阻尼层有限元模型，选取白车身上动力总成和悬架的重要接附点建立大小为1N的白噪声激励，并通过频率响应计算出薄壁板在0～400Hz范围的ERP响应。
进一步的，在步骤5中，白车身的声-固耦合有限元模型的构成方法为：建立声腔和开闭件有限元模型，并与白车身有限元模型组成声-固耦合模型。
进一步的，在步骤5中，计算噪声传递函数的方法为：在白车身有限元模型的重要接附点上建立大小为1N的白噪声激励，声腔有限元模型中驾驶员右耳位置和后排右侧乘员左耳位置建立响应点，分别计算未敷设阻尼层、阻尼初始方案以及阻尼拓扑优化方案的响应点的NTF响应。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明在白车身上以等效辐射声功率为目标对水性阻尼材料进行拓扑优化可以极大的提高计算效率且取得了较好的优化结果，并且与传统的直接以某个激励点NTF响应为目标进行优化的结果相比避免了产生新的NTF响应峰值。将拓扑优化结果规整化后的阻尼层形状满足水性阻尼制造要求。实现了在减少阻尼材料的用量前提下，降低车身薄壁板结构的等效辐射声功率的目标，从而提高了阻尼材料的利用率本发明的水性阻尼材料拓扑优化方法将具有较高的工程应用价值。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明拓扑优化方法的流程图；
图2是本发明车身地板阻尼材料初始布置方案；
图3是本发明车身地板阻尼材料拓扑优化结果；
图4是本发明车身地板阻尼材料拓扑优化规整化结果；
图5是本发明车身地板在未敷设阻尼、阻尼初始方案以及阻尼拓扑优化方案的等效辐射声功率对比图；
图6是本发明对应于驾驶员右耳响应的车身地板在未敷设阻尼、阻尼初始方案以及阻尼拓扑优化方案的车内噪声传递函数结果对比图；
图7是本发明对应于后排右侧乘员左耳响应的车身地板在未敷设阻尼、阻尼初始方案以及阻尼拓扑优化方案的车内噪声传递函数结果对比图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
等效辐射声功率(Equivalent Radiated Power，ERP)是频响分析中的一种分析方法，主要靠评估辐射面上的速度响应来进行计算，在特定的激励下可以计算车身薄壁板的最大可能辐射能量，可用于评估板件振动与NTF响应之间的关系。ERP计算公式为：
Figure BDA0002084514700000041
式中：ERP为等效辐射声功率；δ为辐射损耗因子；C为声速；ρ为流体密度；Ai为单元面积；vi为单元法向速度。
上式换算成声压级表达式为：
Figure BDA0002084514700000042
式中：用于计算的缩放因子P＝1.0；R为参考值(2×10-5Pa)。
本申请首先在白车身有限元模型的地板、防火墙和顶棚等薄壁板上采用实体单元建立阻尼层有限元模型，然后约束阻尼材料的质量并以等效辐射声功率最小化为目标进行拓扑优化，最后将优化后的阻尼层敷设在车身声-固耦合有限元模型上并求解噪声传递函数(NTF)以验证阻尼优化的效果。
如图1所示，本实施例包括如下步骤：
1)建立白车身有限元模型，在白车身有限元模型上采用实体单元建立阻尼层模型，并通过计算频率响应输出白车身薄壁板的ERP幅值；
本实施例是在白车身的薄壁板件上-具体仅在地板上建立阻尼层进行说明，以实体单元方法建立阻尼层的有限元模型，如图2所示；
选取白车身上动力总成和悬架的重要接附点建立大小为1N的白噪声激励，并通过频率响应计算出地板在0～400Hz范围的等效辐射声功率(ERP)响应；
2)以ERP响应最小化为目标，以阻尼材料质量为约束，建立阻尼材料拓扑优化模型，如下：
Figure BDA0002084514700000051
式中，x为拓扑设计变量，n为优化前的阻尼层单元数，Max(ERP)为目标函数，意思是0～400Hz频率范围内ERP最大值，M为约束阻尼层质量，M0为阻尼层原始质量，0.4是给定的质量约束系数；
3)输出阻尼层的拓扑优化结果，如图3所示，将优化后的阻尼层形状规整化以满足制造要求，如图4所示；并计算阻尼优化后的白车身薄壁板ERP的响应，之后对比未敷设阻尼层、敷设优化前的阻尼层和敷设拓扑优化后的阻尼层的白车身薄壁板ERP响应结果；
其中，计算阻尼优化后的白车身薄壁板ERP的响应，是将附有规整化阻尼层的白车身采用同步骤1中一样的方法计算出阻尼层优化后的ERP响应；
对比结果如图5所示，可知敷设阻尼后的地板ERP有明显的降低，且拓扑优化后的阻尼与初始阻尼方案相比ERP并没有升高太多，说明通过拓扑优化后的阻尼利用率得到了极大的提高；
4)判断阻尼层优化后的ERP响应是否满足目标要求，若是，那么执行步骤5)，否则重新设置质量约束条件执行步骤2)直至满足目标要求；
5)将优化前的阻尼层和优化后的阻尼层分别敷设在白车身的声-固耦合有限元模型中，计算噪声传递函数(NTF)，对比未敷设阻尼层、敷设优化前的阻尼层和拓扑优化后阻尼层的NTF响应结果；
其中，白车身的声-固耦合有限元模型的构成方法为：建立声腔和开闭件有限元模型，并与白车身有限元模型组成声-固耦合模型；
计算噪声传递函数(NTF)的方法为：在白车身有限元模型的重要接附点上建立大小为1N的白噪声激励，声腔有限元模型中驾驶员右耳位置和后排右侧乘员左耳位置建立响应点，分别计算未敷设阻尼层、阻尼初始方案以及阻尼拓扑优化方案的响应点NTF结果；
对比对比未敷设阻尼层、敷设优化前的阻尼层和拓扑优化后阻尼层的NTF响应结果，如图6、7所示，可知敷设阻尼后的驾驶员右耳位置和后排右侧乘员左耳位置NTF响应有明显的降低，且拓扑优化后的阻尼与初始阻尼方案相比NTF响应没有出现明显升高的位置，从而进一步验证了拓扑优化方案对阻尼材料轻量化的效果；
6)判断阻尼层优化后的NTF响应结果是否满足设计要求，若是，则完成了阻尼材料的优化设计，否则执行步骤2)重新设置质量约束条件直至满足优化设计的要求。
等效辐射声功率是评价车身板件振动与噪声传递函数关系的一种方式，经验证具有良好的一致性。以ERP为优化目标只需要在白车身有限元模型上建立阻尼有限元模型进行拓扑优化，其计算效率较在声-固耦合模型中以NTF响应点为目标进行优化有极大的提高，而且本发明以0～400Hz全频段激励和响应下的车身薄壁板等效辐射声功率最小化为目标进行拓扑优化，可有效降低所有激励点的NTF响应峰值，也避免了优化某激励点NTF峰值时其他激励点的NTF响应出现新的峰值的现象。经验证，本发明所述方法具有工程应用的有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.以等效辐射声功率为优化目标的水性阻尼材料优化方法，其特征在于包括如下步骤：
1)建立白车身有限元模型及阻尼层有限元模型，并通过计算频率响应输出白车身薄壁板的ERP响应；
2)以ERP响应最小化为目标，以阻尼材料质量为约束，建立阻尼材料拓扑优化模型，如下：
Figure FDA0002084514690000011
式中，x为拓扑设计变量，n为优化前的阻尼层单元数，Max(ERP)为目标函数，意思是0～400Hz频率范围内ERP最大值，M为约束阻尼层质量，M0为阻尼层原始质量，0.4是给定的质量约束系数；
3)输出阻尼层的拓扑优化结果，将优化后的阻尼层形状规整化并计算阻尼优化后的白车身薄壁板的ERP响应，之后对比未敷设阻尼层、敷设优化前的阻尼层和敷设拓扑优化后的阻尼层的白车身薄壁板的ERP响应；
4)判断阻尼层优化后的ERP响应是否满足目标要求，若是，那么执行步骤5)，否则重新设置质量约束条件执行步骤2)直至满足目标要求；
5)将优化前的阻尼层和优化后的阻尼层分别敷设在白车身的声-固耦合有限元模型中，计算噪声传递函数，对比未敷设阻尼层、敷设优化前的阻尼层和拓扑优化后阻尼层的NTF响应；
6)判断阻尼层优化后的NTF响应是否满足设计要求，若是，则完成阻尼材料的优化设计，否则执行步骤2)重新设置质量约束条件直至满足优化设计要求。
2.根据权利要求1所述的以等效辐射声功率为优化目标的水性阻尼材料优化方法，其特征在于：在步骤1中，以实体单元方法建立阻尼层有限元模型，选取白车身上动力总成和悬架的重要接附点建立大小为1N的白噪声激励，并通过频率响应计算出薄壁板在0～400Hz范围的ERP响应。
3.根据权利要求1所述的以等效辐射声功率为优化目标的水性阻尼材料优化方法，其特征在于：在步骤5中，白车身的声-固耦合有限元模型的构成方法为：建立声腔和开闭件有限元模型，并与白车身有限元模型组成声-固耦合模型。
4.根据权利要求1所述的以等效辐射声功率为优化目标的水性阻尼材料优化方法，其特征在于：在步骤5中，计算噪声传递函数的方法为：在白车身有限元模型的重要接附点上建立大小为1N的白噪声激励，声腔有限元模型中驾驶员右耳位置和后排右侧乘员左耳位置建立响应点，分别计算未敷设阻尼层、阻尼初始方案以及阻尼拓扑优化方案的响应点的NTF响应。
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