车辆系统振动传递路径分析与结构声辐射控制研究

论文摘要

汽车的乘坐舒适性作为汽车产品主要性能之一，日益受到世界各大汽车厂商的重视和消费者的关注，已经成为提升汽车产品竞争力和衡量汽车产品设计成功与否的一项关键指标。汽车车身结构振动与乘员室内结构噪声是衡量乘坐舒适性的重要因素，车身结构的薄壁特征使其易受外界激励影响而产生振动并辐射噪声。车身结构本身是无激励源的被动结构，汽车在运行过程中形成大量的激励源，产生振动能量，经多个连接点、多个运动方向的多维耦合传递路径传递到车身结构，引起了中低频的结构振动和噪声响应。因此，通过降低结构振动和噪声响应来改善乘坐舒适性，控制振动的传递路径和壁板结构的声辐射是重要的解决途径。本论文由结构振动和噪声在车辆系统内的完整传递过程分析入手，根据传递过程中振动能量“产生”、“传递”、“扩散”和“辐射”四个阶段的特点，基于功率流理论研究结构振动和噪声的多维传递特性，从振动传递路径和结构声辐射方面寻求有效的控制方法。具体研究工作如下：(1)车辆系统多维振动传递特性分析与耦合研究以导纳法研究车辆系统内的多维振动传递问题，按照“激励源结构－传递路径－接受结构”的分析思路，分别建立各子系统模型和完整系统的振动传递分析模型；通过子系统界面连接点的运动协调性与力的平衡关系，推导出各连接点的力、速度表达式和基于功率原始定义的功率流计算表达式。依据该功率流计算式，针对多维振动传递过程中普遍存在的耦合现象，提出了以耦合功率来描述各个传递路径之间耦合程度的观点，初步总结出以耦合功率作为判断简化解耦的合理性原则，提出了根据耦合在振动传递中所起的作用来合理利用耦合现象的设想。(2)车辆系统多维振动传递路径的等效分析与贡献量化方法研究由激励源功率输出特性，推导出一维振动传递功率流的等效计算表达式。引入有效点导纳的概念，将激励源等效计算功率流的方法由一维传递系统扩展为多维传递系统，归纳出各种形式的多维振动传递系统的等效分析模型，并给出相应的等效系统传递功率流的计算式。在此基础上，提出了基于能量传递观点的结构振动和噪声的传递路径贡献量化方法，用于辨识主要的传递路径，进而由功率流的激励源等效计算表达式分析激励源结构、传递路径以及接受结构中可能对振动能量传递产生影响的潜在因素，为振动能量传递控制提供必要的基础。(3)基于导纳功率流的传递路径分析方法与振动传递控制研究依据复杂系统建模和功率流相关理论成果并结合车辆系统结构振动和噪声控制中的常用方法，系统地提出面向工程应用的基于导纳功率流的传递路径分析方法。该方法包括分析模型构建、传递路径分析以及结构改进与验证三个阶段，涉及十个具体的操作步骤，对每一个步骤做了详细解释和说明。结合某型轿车，应用该方法分析动力总成振动引起的乘员室内结构噪声的传递路径，根据流经各传递路径的功率流对各传递路径进行了排序和辨识。参照激励源等效系统分析方法的功率流计算式，从各子系统的导纳表达式辨识主要的影响参数，确定了调整动力总成安装位置、更换新的悬置系统和车身结构改进等三种方案，使该轿车在问题频率段的声压响应峰值下降、传递到接受结构的总功率减少、隔振效果明显改善。(4)车身振动壁板的结构声辐射控制研究围绕经传递进入车身结构的振动能量，研究了结构内部的功率流表达式与结构－声耦合方程研究了结构噪声响应和振动能量扩散之间的联系。为了降低结构噪声响应，改进现有的壁板声学贡献分析方法，提出了“声学贡献和”、“声学贡献比”以及“声场总贡献”三个新的参数，进而形成了从整体上评价乘员室声场的声学特性和指导声场降噪的方法，并以某型轿车为例，对车身结构的声辐射特性进行改进。依据改进的壁板声学贡献分析确定了车身结构上贴附阻尼层的最佳位置，从数值仿真预测和实验测量对降噪效果进行了验证，取得了乘员室降噪和车身结构轻量化的双重效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 汽车结构振动噪声的传递与控制
• 1.3 研究现状综述
• 1.3.1 传统的传递路径分析
• 1.3.2 基于功率流理论的传递路径分析
• 1.3.3 结构声振特性改进方法概述
• 1.3.4 文献小结
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第二章 振动系统的多维传递特性与耦合分析
• 2.1 多维振动传递系统分析模型
• 2.1.1 多维振动传递系统特征描述
• 2.1.2 系统建模方法
• 2.1.3 子系统建模
• 2.1.4 整体振动系统建模
• 2.2 多维振动传递系统的功率计算
• 2.2.1 功率流的基本理论
• 2.2.2 多维振动传递的功率流计算
• 2.3 多维振动传递特性分析
• 2.3.1 多维振动传递特性的传统分析方法
• 2.3.2 基于能量观点的多维振动传递特性分析方法
• 2.3.3 多维振动传递特性实例分析
• 2.4 多维振动传递的耦合分析
• 2.4.1 耦合现象的功率表示
• 2.4.2 耦合程度的判断与解耦简化
• 2.4.3 耦合在多维振动传递中的作用
• 2.5 本章小结
• 第三章 多维振动传递的等效分析与贡献量化方法
• 3.1 振动激励源的等效方法与功率输出特性描述
• 3.1.1 激励源的功率输出特性
• 3.1.2 激励源的戴维宁等效系统
• 3.1.3 激励源的诺顿等效系统
• 3.1.4 两种激励源等效系统的区别与联系
• 3.1.5 算例验证
• 3.2 多维振动传递路径的等效分析
• 3.2.1 问题提出
• 3.2.2 有效点导纳
• 3.2.3 多维振动传递的激励源等效分析模型
• 3.3 多维振动传递路径的贡献量化分析
• 3.3.1 传统的传递路径贡献量化方法
• 3.3.2 基于能量传递的传递路径贡献量化方法
• 3.4 振动传递的影响因素辨识
• 3.4.1 激励源结构的参数分析
• 3.4.2 隔振元件的参数分析
• 3.4.3 接受结构的参数分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 车辆系统振动传递路径分析与控制
• 4.1 基于功率流理论的传递路径分析方法
• 4.2 某型轿车分析模型的建立
• 4.2.1 实例分析建模背景
• 4.2.2 动力总成模型
• 4.2.3 悬置系统模型
• 4.2.4 车身结构与声腔模型
• 4.2.5 完整车辆系统模型
• 4.3 传递路径分析与辨识
• 4.3.1 乘员室内结构噪声响应分析
• 4.3.2 功率流计算与传递特性分析
• 4.3.3 传递路径贡献量化与影响因素辨识
• 4.4 结构改进与效果验证
• 4.4.1 动力总成安装位置调整
• 4.4.2 悬置系统更换
• 4.4.3 车身结构改进
• 4.5 本章小结
• 第五章 车身壁板的结构声辐射分析与控制
• 5.1 壁板结构振动扩散与声辐射
• 5.1.1 壁板结构振动扩散
• 5.1.2 结构－声耦合方程
• 5.1.3 声压与壁板结构振动的关系分析
• 5.2 壁板声学贡献分析方法及其改进
• 5.2.1 壁板声学贡献分析基本理论
• 5.2.2 壁板声学贡献分析方法的改进
• 5.2.3 乘员室声场降噪方法
• 5.3 车身壁板结构声辐射改进实例分析
• 5.3.1 背景概述与声压响应分析
• 5.3.2 车身壁板声学贡献分析
• 5.3.3 阻尼贴附与仿真预测
• 5.3.4 实验验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要研究工作和结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表或已录用的学术论文