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作者：古棋元西南大学

学位级别：硕士

随着我国汽车产业的飞速发展,汽车振动与噪声(Vibration and Noise,NV)的控制已经成为了各大汽车制造商和消费者共同关注的焦点。车辆振动噪声是由多种因素引起的,而且由于其产生机理的不同,其振动噪声的频谱特征也各不相同。车身的结... 详细信息

随着我国汽车产业的飞速发展,汽车振动与噪声(Vibration and Noise,NV)的控制已经成为了各大汽车制造商和消费者共同关注的焦点。车辆振动噪声是由多种因素引起的,而且由于其产生机理的不同,其振动噪声的频谱特征也各不相同。车身的结构设计对车内噪声、振动都有着重要的影响,因此,对车身构造进行深入研究,分析其结构特性,并采取有效的控制措施,是提高整车减振降噪水平的重要手段,并且具有重要的现实意义。在现有的车身结构的振动噪声优化设计中,前期的研发对虚拟CAE(Computer Aided Engineering)技术的依赖性较强,如果在车身研发初期出现了问题,后期的变更较为耗时耗力,比如模具的修改,成本较高。因此,CAE技术对于缩短整车研发周期和保证整车NV性能具有重要意义。其中,振动噪声的数值计算方法是CAE分析的核心部分,其方法是否准确、高效对于整车的设计具有重要意义。有限元法是目前使用最多的一种数值计算方法,但它仍然面临着网格计算精度较低和计算效率较低等问题。在此背景下,本文以经典的三角形和四面体单元为基础,通过节点插值技术,在单元节点上引入基函数,实现了系统刚度、质量矩阵的扩展,并编制相应的数值程序,提出了一套基于节点插值的增扩有限元方法(Enriched Finite Element Method,E-FEM)。该方法基于结构与声学的非结构单元,能够有效平衡计算效率和精度的关系,并将其应用于解决汽车结构与声学的相关问题。本文使用商业软件Hyper Mesh进行有限元建模,并通过增扩有限元法对实验结构进行振动声学分析,通过与FEM(Finite Element Method)、ES-FEM(Edge-Based Smoothed Finite Element Metho)的数值计算结果的对比,证明了增扩有限元法的准确性和高效性。本文数值试验可以得出以下结论:(1)将该技术用于二维和三维自由振动模态分析,并对计算效率、精度和网格畸变适应性进行综合对比分析。E-FEM-T3在不增加太多计算量的前提下,以悬臂梁、连杆、剪力墙、汽车轮毂4个算例为例,具有精度高、收敛性好、对网格畸变适应性强等优点。(2)在受迫振动研究中,E-FEM-T3、ES-FEM-T3、FEM-Q4和FEM-T3具有极其一致的振动周期,而E-FEMT3N6具有最高的振幅,其次是E-FEM-T3N4、E-FEM-T3N3、ES-FEM-T3、FEMQ4和FEM-T3。通过比较上述方法在三种不同二维模型中的计算效率和网格畸变,得出E-FEM-T3具有更高的计算精度和更好的网格畸变适应性。(3)提出的EFEM-T3单元对网格畸变的敏感性也低于其他传统单元,即使在使用高度畸变的模型时也能得到可靠的数值结果。在几何形状复杂的工程应用中,网格畸变往往无法避免;因此,目前的方法特别适合这些场景。(4)目前的E-FEM-T3虽然与高阶单元相比不需要额外的节点,但由于形成的系统矩阵较大,未知节点未知量较多,数值计算量更为复杂。尽管如此,目前的E-FEM-T3对于自由和受迫振动分析解仍具有较好的计算精度和效率。(5)随着附加自由度数的增加,3种E-FEM-T3解的误差相对于计算时间的收敛速度均减小;精度越高,收敛性越好,对畸变网格的适应性也越好。因此,本文所建立的结构振动声学分析模型可为解决结构振动声学问题提供一种高效、高精度的计算理论和数值方法,为实现结构与声学性能分析与控制提供理论依据,从而较好地满足工程应用的需求。

关键词：数值方法节点插值增扩有限元法结构与声学非结构单元

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