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面向汽车高频噪声分析的不确定性理论与应用研究

董俊红  
【摘要】:汽车NVH(Noise,Vibration,Harshness)性能按照频率可以划分为低频、中频和高频性能,其中,高频NVH性能对汽车车内声品质有着非常显著的影响。目前,汽车高频NVH性能的开发主要采用统计能量分析(Statistical Energy Analysis,SEA)方法进行求解,统计能量模型中的材料、结构和性能参数均设定为确定性参数。然而,在工程实际问题中,激励和环境条件不断变化,制造、装配和测量误差无法消除,汽车尤其是其声学包系统的不确定性无法避免。这些不确定性因素相互影响和耦合,导致整车高频NVH实际性能相对于设计性能出现较大偏差,从而对大规模产品性能造成不可忽略的影响,一定程度上限制了统计能量分析方法在汽车高频噪声性能分析和优化中的应用效果。针对整车高频NVH性能开发过程中存在的问题,本文将不确定性理论引入SEA分析过程中,对不确定性条件下的汽车高频NVH性能开发理论和应用进行了系统性的研究。首先,在理论层面,提出了汽车声-固耦合模型不确定性分析的随机统计能量方法和区间统计能量方法;其次,为了克服变量不确定性所引起的区间扩张现象,提出了一种考虑不确定性变量间耦合关系的区间摄动分析方法,并采用该方法对汽车关键总成高频性能进行了分析和优化;再次,为了预测材料参数不确定性传播所引起的整车高频噪声响应偏差,基于区间模型对汽车整车高频NVH性能的不确定性进行了分析;最后,针对不确定性条件下的整车高频NVH性能优化问题,引入了一种高效区间稳健性优化方法。基于此思路,本论文开展和完成了如下研究工作:(1)针对汽车声-固耦合系统中难以获取关键SEA参数分布信息的问题,参考随机有限元与区间有限元理论,将不确定性理论引入SEA分析过程中,分别采用随机模型、区间模型来描述结构和声腔材料参数的不确定性,提出了汽车声-固耦合模型不确定性分析的随机统计能量方法和区间统计能量方法;选择有物理意义的结构和声腔材料参数作为不确定性参数,这既使设计初期不确定性参数的描述变得更加直接和容易,也避免了SEA参数之间的相互关系对不确定性分析结果产生影响;在统计能量方程基础上,采用解析方法推导了损耗因子矩阵关于结构、声腔材料参数的偏导数方程,建立了子系统能量波动与材料参数不确定性之间的数量关系,相对于数值方法具有更高的精度和更广泛的适用性;分别以简单的平板-立方体声腔耦合模型和汽车发动机舱-防火墙-车内声腔模型为例,通过对比Monte-Carlo法的计算结果,验证了所提方法的准确性与普适性,有效预测了不确定条件下声-固耦合系统的高频响应特性。(2)提出了一种汽车关键总成高频隔声性能不确定性分析的相关区间摄动方法。该方法考虑了不确定参数间的线性不等式约束关系,引入了不确定性参数灵敏度排序机制,克服了传统区间模型中不确定性参数之间相互独立的假设限制,有效的抑制了不确定性分析过程中的系统响应区间扩张现象。以汽车防火墙总成为例,基于统计能量分析法建立了防火墙总成的SEA模型,通过试验获取了声学包及过孔零件的吸隔声性能,并基于测试数据对SEA模型进行了调校;采用相关区间摄动方法对防火墙总成的隔声性能进行了计算,数值算例结果显示,该方法可以有效的收窄防火墙总成隔声性能的上、下界范围;最后,以内前围的质量为目标函数,以防火墙总成隔声性能为约束条件,基于多岛遗传算法对内前围参数进行优化,在实现内前围轻量化目标的同时仍保证了防火墙总成隔声性能的提升。(3)针对多孔材料参数的不确定性,提出了汽车整车高频噪声性能的区间不确定性分析方法。首先,通过试验测试得到整车声学包零件的吸隔声性能,并在整车半消声实验室对汽车声载荷进行测试,分析特定工况下的车内噪声响应;建立汽车整车SEA模型,在车身外表面加载特定工况下的声载荷激励,预测驾驶员耳边噪声响应并与实车测试结果进行对比,验证模型的准确性;引入区间模型对内前围结构和材料参数进行描述,采用区间摄动方法对车内噪声响应进行预测,对不确定参数影响下系统的稳健性进行了分析。(4)提出了汽车整车高频性能的高效区间稳健性优化方法。建立了整车SEA模型,并通过声学传递函数(Acoustic Transfer Function,ATF)验证模型的准确性;选择关键声学包零件的吸隔声性能作为不确定性参数,计算不确定参数的灵敏度;通过引入区间可能度方法,将不确定性约束转化为确定性约束;推广区间可能度的概念,引入一种高效的解耦方法,将双层嵌套的稳健性优化模型转化为确定性的单层优化模型进行求解,对某SUV车型声学包系统进行了分析和优化,在实现汽车声学包轻量化目标的同时大幅度提升系统性能的稳健性。


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