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汽车顶棚生产与工艺改进措施的分析
摘 要：随着汽车行业的发展，人们对乘车舒适性的要求越来越高，但国内外早期的汽车顶棚生产工艺并未对声波噪音产生足够的认识，汽车顶棚工艺技术的滞后使得驾驶员和乘客要无可奈何地承受车内声场共振现象。面积较大的汽车顶棚作为因外界刺激而产生振动和噪声的主要来源，逐步成为了汽车性能指标的重要影响因素。本文以振动噪声理论为指导，通过有限元模态技术，建立起汽车顶棚的模态模型，并对汽车顶棚生产工艺和NVH改进进行了研究。
关键词：汽车顶棚；生产工艺；有限元建模；NVH；模态分析
随着汽车行业的发展，人们对乘车舒适性的要求越来越高，但国内外早期的汽车顶棚生产工艺并未对声波噪音产生足够的认识，汽车顶棚工艺技术的滞后使得驾驶员和乘客要无可奈何地承受车内声场共振现象。面积较大的汽车顶棚作为因外界刺激而产生振动和噪声的主要来源，逐步成为了汽车性能指标的重要影响因素。本文以振动噪声理论为指导，通过有限元模态技术，建立起汽车顶棚的模态模型，并对汽车顶棚生产工艺和NVH改进进行了研究。
一、汽车顶棚结构的建模和模态分析
汽车顶棚的振动造成了车内的低频噪声，影响了驾驶和乘坐的舒适性，通过汽车顶棚的模态分析，可以根据振动传递产生的噪声机理来对噪声处理提供诊断依据。
本文采取有限元软件PATRAN对汽车顶棚结构进行建模，再导入声振分析软件SYSNOISE中进行汽车顶棚的模态分析。在SYSNOISE中，材料参数选择0.9mm的低碳钢，边界条件设定为四边位移为零。因为车内噪声的主要频段为200Hz以下，所以，该模态分析的关键在于对200Hz以下的低频段进行低阶模态计算。其次，由于汽车顶棚围成的封闭车内空间会产生声波共鸣现象，导致驾驶员和乘客的耳鸣噪音出现，国内外早期的汽车顶棚生产工艺并未对声波噪音产生足够的认识，汽车顶棚工艺技术的滞后使得驾驶员和乘客要无可奈何地承受车内声场共振现象。因此，本文同样通过PATRAN对车内声场进行建模，再利用SYSNOISE来分析车内声场的声学模态。汽车顶棚结构的模态分析流程见表1所示。
二、汽车顶棚结构的工艺与模态的关系
通过上文对汽车顶棚结构的建模和模态分析，为了减振降噪，可根据汽车顶棚结构特点和振动噪声之间的关系，来对汽车顶棚生产工艺进行研究。
1、金属板厚度对汽车顶棚模态的影响
前文在汽车顶棚有限元分析中采用的是0.9mm的金属板厚度，本文将其与0.7mm和1.2mm厚金属板的汽车顶棚结构模态进行对比。通过对前十阶模态进行计算，200Hz以下的低阶模态声场振型结果表示：在汽车顶棚金属板厚度为0.7mm时，汽车前排和后排均出现了较强的低频噪声，其模态频率低于0.9mm，而在汽车顶棚金属板厚度为1.2mm时，其模态频率要比0.9mm厚时要高出不少。因此，金属板厚的增加对于减振降噪具有良好的改善效果。
2、金属板材料对汽车顶棚模态的影响
前文在汽车顶棚有限元分析中采用的是低碳钢作为顶棚材料，作为对比试验，本文将铝合金纳入其中。通过对前十阶模态进行计算，200Hz以下的低阶模态声场振型结果表示：在低碳钢和铝合金为同等厚度的前提下，模态频率有少许上升，但铝合金的密度较之低碳钢要小很多，对车身质量的优化有一定帮助。
三、汽车顶棚结构的工艺改进措施
汽车顶棚结构的工艺是一个复杂的结构系统，既要考虑性能的实现，又要降低经济费用，因此，本文提出在替换汽车顶棚金属材料和减小金属板厚度的条件下，在振动的峰值点设计数根加强带来对汽车顶棚生产工艺进行改进的措施。
汽车顶棚采用0.7mm厚的铝合金材料，设置三条相同材质、宽度50mm的加强带，总体维持在12kg左右的重量之内。其中，加强带设置在汽车顶棚后部位置，靠近汽车尾部的加强带厚度设置为0.3mm，靠近汽车头部的加强带厚度设置为0.5mm，中间的加强带设置为0.7mm，利用PATRAN建立汽车顶棚模型并导入SYSNOISE进行模态分析。
改进后，汽车顶棚的低阶模态有了一定的改善，200Hz以下的低频整体升高，加强带的设计有效地抑制了汽车顶棚引发的生辐射，模态振型的峰值点挪动到了对驾驶员和乘客有利的状态，本措施实施后，低频模态有明显提高，对低频噪音的改进效果满足要求。而此时汽车顶棚的结构质量减小，更符合经济性能的需求。随着计算机系统的日益发展和新材料的日新月异，汽车顶棚的生产工艺改进研究还将有进一步的研究前景，相信日后将出现更为简便和有效的有限元模态分析方法，建立起更加切合实际需求的驾乘模型。
参考文献
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