Altair 2015技术大会论文集
某纯电动汽车声腔模态优化设计研究 Acoustic Mode Optimization Research of a
Electric Vehicle
辛雨 李玉军
（北京新能源汽车股份有限公司，北京102606）
摘 要：电动汽车与传统燃油车辆振动噪声特点存在较大差别，其中电池包的增加对车身
振动噪声特性带来了较大影响。某项目纯电动汽车设计过程中，车身模态分析结果表明40-50Hz声腔模态区间存在与车身共振风险；为确认该风险采用Hypermesh软件对该车型进行了声腔模态分析，分析结果表明44.50Hz声腔模态与车身共振的风险存在，需寻求优化方案；通过对比分析优化方向，确定调整声腔模态频率，并对驾驶舱与货舱采取隔离措施；对该优化方案的CAE分析确认了该方案的有效性：第一阶声腔模态提高至93.69Hz，相比44.50Hz提高110.5%，这在不增加整车成本的条件下有效的解决了声腔模态共振的问题。
关键词：电动汽车，声腔，模态，共振，Hypermesh。
Abstract: There is big difference between electric vehicle and IC engine vehicles. The
battery package changes the body noise and vibration characteristic. In a electric vehicle R&D project, the body mode shows a resonance risk between the body and the acoustic mode. To confirm this risk, the acoustic mode of the body is calculated by Hypermesh. It is real the risk lies in frequency 44.50 Hz. The optimization plan is designed, and by comparison the acoustic mode optimization plan is selected. The body cavity is split to cockpit and cargo hold. New analyze results prove the validity of this optimization plan. The first mode of the cockpit is 93.69Hz， and it is doubled more than 44.50Hz. The plan solve acoustic mode problem while it has no cost increscent.
Keys: electric vehicle, acoustic cavity, mode, resonance, Hypermesh.
0 引言
随着电动汽车研究发展的技术提升和电动汽车在城市内的普及，人们对电动汽车整车振动噪声性能的要求越来越高。对于电动汽车的振动噪声性能及其相关设计原来越受到电动汽车厂商的重视，对其相应的投入以及纯电动汽车振动噪声特性的研究成果也越来越多。
电动汽车相比传统燃油车辆存在较大的不同。首先，由于动力源由发动机改变为电机，发动机与电机在振动噪声、扭矩特性上的输出造成其NVH控制方式的改变，这对悬置系统的振动噪声匹配带来影响【1】；其次，电动汽车的附件噪声凸显，真空泵、水泵【2】、空调压
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缩机等电辅助系统的振动噪声在车辆静置或低速凸显；再次，由于电池的布置需要，要求车身设计时考虑电池布置空间带来的影响【3】，这必然引起车身模态及车内声腔模态的变化。针对电动汽车车身进行车身振动噪声设计【4】，与传统燃油车辆车身振动噪声要求【5】存在不同。
在某纯电动汽车设计过程中，根据车身模态CAE分析计算结果，按经验判断存在发生声腔共振的风险。为验证该风险是否存在，对该车型声腔模态进行了计算，计算结果表明声腔模态与车身模态共振频率重合，发生噪声风险的机会非常大。为解决该问题，提出驾驶员座椅后加隔离板的解决方案，CAE计算结果表明，该解决方案有效解决了声腔模态共振问题。在实际样车设计生产中，该方案作为声腔模态解决措施进行了实际应用，取得了良好效果。
1 问题描述
某纯电动汽车项目设计过程中，将7座客车原型车后排座椅取消改造为货车；同时由于电池布置于车辆底部，车身地板相比原型车进行了抬高。通过对调整改变后的车身模态分析，发现该车型声腔模态频率经验区间（40-50Hz）内车身模态存在七阶模态，发生车身与声腔共振的风险很高。白车身模态40-50Hz分析结果如下表所示，为解决车身与声腔共振的风险，需要对声腔模态频率进行计算，并提出车身整改方案以解决该问题。
表1 白车身模态40-50Hz分析结果
第1阶 第2阶 第3阶 第4阶 第5阶 第6阶 第7阶 频率（Hz） 41.48 42.21 43.15 44.60 46.77 47.68 49.82 振型 整车呼吸模态+顶棚二弯凸 整车呼吸模态+顶棚三弯凸 前机舱横梁扭转 整车呼吸模态+左右侧围弯凸 整车呼吸模态+复杂振型 整车呼吸模态+复杂振型 整车呼吸模态+复杂振型
备注 2声腔模型建立
对声腔模态的计算需要建立声腔模型，这部分工作非常重要，决定着声腔模态计算结果能否更接近实际结果。根据该项目提供的整车数模，进行整车网格划分，如图1所示。网格单元大小以10mm为基准，采用主单元类型为Quad4，最终单元总数量为1494631个。
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a)整车数模 b)有限元网格
图1 有限元网格划分
对整车模型进行处理，去掉不必要的部分，并建立前挡风、车门玻璃等模型；将封窗网格添加到模型上，对地板、车门等部件上的孔洞进行封堵；经处理，车身模型结果如图2所示。使用处理后的车身网格，使用Hypermesh软件或LMS Virtual.lab软件抽取出声腔，可获得车身的声腔模型。声腔模型单元类型使用Hex8+Tetra4类型，基准单元大小为20mm；声腔模型的单元数量为875004个，其中主驾和副驾座椅的单元数量为34746个。
a)有限元模型处理 b)声腔网格结果
图2 声腔网格建立
3 声腔模态计算
采用流固耦合计算中流体单元属性材料定义声腔材料属性，如表2所示。采用Lanczos法计算声腔模型前四阶的自由模态，并输出所有节点的模态位移。计算结果为：第一阶X向一弯，频率为44.50Hz；第二阶X向二弯，频率为82.44Hz；第三阶Y向一弯，频率为126.1Hz；第四阶X向三弯，频率为128.8Hz。
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表2 声腔材料参数
序号 1 2 3 材料名称 SEAT-CAVITY-MAT IP Console-CAVITY-MAT CABIN-CAVITY-MAT 体积模量 (N/mm) 1.420 0.142 0.142 2密度（T/mm） 泊松比 6.0E-11 1.2E-11 1.2E-12 0.12 0.12 0.12 3第1阶:44.50Hz 第2阶:82.44Hz 第3阶:126.1Hz 图3 声腔计算结果
第4阶:128.8Hz
4 共振频率确认及优化方案
对声腔模态计算结果与车身模态计算结果进行对比分析，发现声腔模态第一阶计算结果X向一弯（44.50Hz）与车身整车呼吸+左右侧围弯凸模态（44.60Hz）非常接近，发生共振的风险非常高；同时，由于车身模态密集，44.60Hz上下浮动3Hz之内还存在42.21Hz整车呼吸+顶棚三弯凸模态和46.77Hz整车呼吸+复杂振型模态；以及非常接近3Hz浮动区间的41.48Hz整车呼吸模态+顶棚二弯凸和47.68 Hz整车呼吸+复杂振型模态。
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图4 白车身44.60Hz模态振型结果
根据以上共振频率，整改方向选择两方面：第一方向优化声腔模态频率，将声腔模态频率移出呼吸模态所在且模态密集的40-50Hz区域；第二方向优化车身模态，优化车身结构，使车身模态避开44.50Hz声腔模态频率，且将车身在40-50Hz内模态阶次较多的问题解决。很明显，车身模态优化可解决根本性问题，并带来其他方面的一些振动噪声性能提升，但该方案劣势同样明显。由于40-50Hz之间车身不仅存在多阶整车呼吸模态，同时存在顶棚、左右侧围、前围板等多个局部模态，对车身的优化预计涉及到车身框架以及顶棚、侧围等多个局部位置的优化，这带来巨大的成本及设计周期压力。
由于本车身本身由其他项目借用改造而来，且本身车型为低成本车型，不允许对车身结构进行较大的改进，因此将本问题优化方向设定为直接优化声腔模态。声腔模态主要为车内密闭空气在其固有频率下的振动情况，当对车内空腔区域进行重新分割时，声腔模态必然改变【6】。观察该车型车身，由于需要客货分离防止发生货物冲入驾驶舱，在驾驶员座椅后方存在隔离栏杆，因此具备在隔离栏杆位置取消隔离栏杆布置隔离板，将车身空腔分成驾驶舱和货舱的条件。
5 优化方案验证
对将车身空腔分为驾驶舱和货舱的声腔模态调整方案进行CAE分析，确认整改方案的有效性。由于分离后只需关注驾驶舱的声腔模态情况，因此仅对驾驶舱进行声腔建模，并进行声腔模态计算。
采用与前期整体声腔模态计算相同的设置及方法，对分割后的驾驶舱进行声腔模态建模，声腔模态单元总数量为3444390个，其中座椅声腔模型与前期声腔模型相同。采用同样的方法对该模型进行自由模态计算，计算结果为：第一阶X向一弯，频率为93.69Hz；第二阶Y向一弯，频率为126.1Hz；第三阶Z向一弯，频率为131.1Hz；第四阶驾驶舱一扭，频率为156.8Hz。
优化方案一阶声腔模态频率93.69Hz，相比44.50Hz提高110.5%，在不增加整车成本的
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