粘弹性约束阻尼结构拓扑优化及其在车身中的应用

发布时间：2020-11-15 14:28

　　 汽车NVH性能不仅关系着乘员的乘坐舒适性,也决定着汽车品牌在市场上的影响力;随着汽车轻量化目标的日益攀升,如何在提升车辆减振降噪能力的同时把轻量化设计纳入研究范畴已成为汽车设计的重要课题。对车身薄壁板件进行阻尼处理可以有效改善车内噪声水平,粘弹性阻尼材料目前已在车身上广泛应用。关于粘弹性材料的动态力学性能以及阻尼结构减振方面的研究较多,但约束阻尼结构及其在车身中的相关应用还有几点值得研究:考虑粘弹性材料温频特性的约束阻尼结构有限元建模;基于阻尼材料温频特性的约束阻尼结构拓扑优化;粘弹性材料在车身结构中的应用及相关结构轻量化设计等。本文以约束阻尼结构为研究对象,主要研究内容有:基于粘弹性材料的力学特性,对粘弹性材料试样件的阻尼特性进行测试,根据测试结果,绘制相关材料特性曲线,并通过参数拟合推导建立相关数学模型;基于上述数学模型,利用模态应变能法及集成软件Isight建立约束阻尼结构的建模流程,并对比分析粘弹性材料常数模型以及变量模型下的约束阻尼结构的频率响应函数;而后,利用双向渐进结构优化算法实现对约束阻尼结构的拓扑优化研究,研究表明:粘弹性材料的温频特性会影响约束阻尼结构的精准化建模,对阻尼材料进行布局优化研究能够有效提升阻尼材料的使用率。建立某车型的声固耦合有限元模型,通过分析声压频率响应发现发动机右悬Z方向白噪声激励在101Hz下驾驶员右耳处声压较高。通过对车身板件贡献度分析,确定对前围板进行阻尼处理。通过对比分析,该措施能够改善车内噪声情况。建立约束阻尼结构中阻尼材料及对应约束层材料布局优化的数学模型,采用双向渐进结构优化方法法,求解得到阻尼材料及对应约束层材料的材料布局,上述工况下,在阻尼材料用量减少40%的情况下,驾驶员右耳处声压峰值与阻尼材料全布局时比较相差较小。本文以约束阻尼结构为研究对象,基于粘弹性材料的温频特性完成对约束阻尼结构的有限元仿真以及结构拓扑优化,并通过在车身中对约束阻尼结构的拓扑优化,在保证车身NVH性能的前提下,提高阻尼材料的使用率。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U463.82
【部分图文】：

在外力作用下极易产生振动而使得封闭的车内空间受到扰动。这种扰动会使得车内空间的空气体积产生微小的变化，从而产生很大的声音。这种作用关系就相当于扬声器的发声原理一样，如图1.1所示，前围板振动，车内空气会随着振动而发生膨胀或者压缩，从而改变了车内的空气体积而发声。轿车车身的车室内空间大概为3m3，如果车内的封闭空间体积变化0.002m3，这将使得车内的声压达到1.4 Pa，也就是94dB[1]。由此看来，对车身壁板的振动和声辐射进行研究和优化是控制车内噪声的有效手段。a) 前围板振动 b) 扬声器膜片振动图1.1 前围板与扬声器发声原理对比对车身薄壁板件进行阻尼处理能够大幅衰减或有效抑制薄壁板件的振动情况，从而降低薄壁板件在外界激励下产生的噪声辐射，这种方法实施较为简单且效果显著。粘弹性阻尼材料是能够将固体机械振动能转变为热能而耗散的材料

9呈现为一条椭圆形迟滞回线，如图2.2所示。图2.1 弹性材料应力-应变曲线图2.2 粘弹性材料应力-应变曲线上图2.2中，椭圆形迟滞曲线所围成的面积大小也就是结构在交变的应力和应变作用下材料所损耗的能量大小，当有拉压应力作用于粘弹性材料产生拉压变形时，其应力-应变可表达为下式关系：0i te （2.1）( )0i te （2.2）复特征法是描述粘弹性阻尼材料性能的一种方法，在某些方面它比广义微分模型或者广义标准模型要方便。根据复模量定义：* 00(cos sin )iE e E i （2.3）或者：*E E iE E (1 i )（2.4）E E cos （2.5）E E sin E （2.6）如上式子中*E 为粘弹性阻尼材料的复拉伸模量， E 为粘弹性阻尼材料复拉伸模量的实部，也称作贮能模量，E 为材料复拉伸模量的虚部，决定粘弹性阻尼材料耗散能力

硕士学位论文9呈现为一条椭圆形迟滞回线，如图2.2所示。图2.1 弹性材料应力-应变曲线图2.2 粘弹性材料应力-应变曲线上图2.2中，椭圆形迟滞曲线所围成的面积大小也就是结构在交变的应力和应变作用下材料所损耗的能量大小，当有拉压应力作用于粘弹性材料产生拉压变形时，其应力-应变可表达为下式关系：0i te （2.1）( )0i te （2.2）复特征法是描述粘弹性阻尼材料性能的一种方法，在某些方面它比广义微分模型或者广义标准模型要方便。根据复模量定义：* 00(cos sin )iE e E i （2.3）或者：*E E iE E (1 i )（2.4）E E cos （2.5）E E sin E （2.6）如上式子中*E 为粘弹性阻尼材料的复拉伸模量， E 为粘弹性阻尼材料复拉伸模量的实部，也称作贮能模量，E 为材料复拉伸模量的虚部，决定粘弹性阻尼材料耗散能力
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本文编号：2884858