Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集OptiStruct 形貌优化在噪声传递函数分析中的应用王卓 周建文 李颖琎长安汽车工程研究院 CAE 工程所-1-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集OptiStruct 形貌优化在噪声传递函数分析中的应用 Application of OptiStruct Topography Optimization on NTF Analysis王卓 周建文 李颖琎 (长安汽车工程研究院 CAE 工程所)摘要： 在对内饰车身 TB（Trimmed Body）模型进行噪声传递函数 NTF（Noise TransferFunction）分析后，发现在某一频率段出现峰值，超出目标值，进一步研究后发现，车身前 地板在该频率段下振动较大，可能是产生峰值的主要原因。

本文基于 Altair HyperWorks 软 件的 OptiStruct 模块，应用形貌优化分析对前地板进行优化，使结果得到优化和改进。

关键词: OptiStruct，TB，NTF，形貌优化，模态 Abstract：After the NTF analysis of TB, the peak response of sound pressure higherthan the target has found at a certain frequency scope. According to the result of researching this problem further, the vibration shapes of front floor is the main reason. Basing on Altair HyperWorks’s OptiStruct module, the topography optimization front floor is applied and the NTF performance is improved.Key words：OptiStruct，Trimmed Body，NTF，Topography Optimization，Mode1 概述如今中国汽车市场正在日趋的走向成熟， 国内汽车企业发展势头非常强劲， 人们对汽车 的态度也早已发生了质的转变， 从以往的代步工具到现在的把汽车当成自己 “身份” 的象征。

而在评价汽车的众多指标中，噪声与振动的要求越来越备受关注，也就是我们平时所说的 NVH，即是噪声（Noise）、振动（Vibration）和舒适性（Harshness）三个英文单词字母 的简写。

一辆汽车的 NVH 性能也是顾客购买汽车时主要考虑的因素，因此它已经成为影响 一部汽车品牌最重要的指标。

随着控制技术的发展和成本的降低、新材料的应用、测试技术不断的完善、计算机软件 的开发，汽车噪声与振动技术的发展非常迅速，虽然它是一门古老的学科，但新的技术不断 渗透进来， 使得它又成为一门非常新而且技术含量很高的学科。

主动降噪和减振已经在汽车 的很多系统上得到应用。

CAE 软件的发展已经使得汽车噪声与振动的很多性能可以用计算 机模型来预测。

噪声传递函数（NTF）是分析汽车 NVH 性能的方法之一，即是在底盘和发动机系统与 车身各附接点施加单位力激励， 测得各附接点与空腔内声压的噪声级， 所以车身的设计对结-2-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集构传播噪声十分重要， 车身外各种激励引起的结构振动和结构噪声的特性直接表明车身设计 的优劣。

好的车身设计对各支撑点的激励敏感度低， 即激励力引起的振动和噪声的响应值低。

通过 TB 车身与声腔模型的耦合计算，得到后悬置激励到车内声压响应的噪声传递函数 结果，发现在某一频段内峰值声压超过目标值。

本文应用 OptiStruct 模块中的形貌优化对车 身的前地板进行优化设计以提高其固有频率和降低振动， 最终降低车身地板对车内噪声灵敏 度，使 NTF 结果得到了优化和改进。

2 问题描述2.1 分析对象在用有限元法进行噪声传递函数分析中， 分析模型分为结构有限元模型和声学空腔模型 两种类型，其中结构有限元模型是 Trimmed Body 模型。

图 1 NTF 有限元法分析对象2.2 边界条件载荷大小：1N； 载荷位置及方向：发动机后悬置 X 方向； 模态阻尼：1-20Hz 是 0.1；20-250Hz 是 0.04； 载荷激励频率范围：0Hz-250Hz； 结构模态频率范围：1Hz-350Hz； 空腔模态频率范围：1Hz-350Hz；2.3 响应点位置响应点是在声腔模型中，驾驶员座椅头枕右边缘顶点的一个 120mm×50mm×50mm 的矩形框内的乘员舱模型节点。

图 2 响应点位置示意图-3-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集2.4 计算结果输出结果是输出测量点的声压级响应曲线，结果曲线 X 轴表示频率，单位为 Hz，Y 轴 为响应的声压级，单位为 dB。

输出结果的响应频率是 20Hz-200Hz。

下图为以发动机后悬 置为激励源，驾驶员右耳处一点为响应点的声压曲线图及在 150Hz 频率后悬置 X 向直接激 励下地板的变形图。

图 3 优化前 NTF 曲线及地板变形图3 优化设计分析CAE 技术中一个非常重要的组成部分——结构优化技术已经发展成熟并成功地被用于 产品设计，凭借着它自己的优势正在改变以往的产品设计流程。

在概念阶段设计阶段，优化 技术可以对产品所需性能全部予以考虑， 在给定的设计空间下找到最佳的产品设计思路； 在 虚拟试验阶段发现问题后， 优化技术可以直接给出产品改进方案， 而不仅仅是对产品进行校 核，从而真正帮助设计工程师设计出创新和可靠的产品。

优化设计有三要素，即设计变量、目标函数和约束条件。

设计变量是在优化过程中发生 改变从而提高性能的一组参数。

目标函数就是要求的最优设计性能， 是关于设计变量的函数。

约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求。

优化设计的三要素在 OptiStruct 中通过不同类型的信息卡描述。

结构响应以及设计变量 均采用 Bulk Data 类型的信息卡，结构响应一般参考 DRESP1、DRESP2 或 DRESP3 卡， 设计变量则根据优化类型的不同选用 DTPL、DTPG 或 DESVAR 卡。

目标函数和约束则使 用 Subcase Information 类型的信息卡定义，目标函数使用 DESOBJ 卡，约束函数使用 DESSUB 或 DESGLB 卡。

在 OptiStruct 中，目标函数和约束函数是从有限元分析中获得的结构响应。

设计变量是 一个矢量，在形貌优化中，设计变量为形状扰动的线性组合因子。

OptiStruct 采用局部逼近的方法来求解优化的问题，其求解步骤如下： 1）采用有限元法分析相应物理问题。

2）收敛判断。

3）设计灵敏度分析。

4）利用灵敏度信息得到近似模型，并求解近似优化问题。

-4-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集5）返回第一步。

3.1 车身前地板优化形貌优化是一种形状最佳化的方法， 即在板形结构中寻找最优的加强肋分布的概念设计 方法，它的优化步骤只需要定义一个设计区域、肋的最大高度和起肋角，同时要考虑到可加 工性，在众多的加强肋布置方式中，选择满足设计要求的方式。

从图 3 优化前的 NTF 曲线中可以看到，在 150Hz 处有一明显的峰值，此频率下的结构 和声腔的模态变形图如图 4 所示。

密闭空腔内的空气， 如果受到压缩， 就会产生纯体积变化， 展现出很高的阻抗， 与车身结构产生强烈的耦合。

由此分析和图 4 的描述可以知道车身结构 和声腔模态产生耦合的地方在前地板处， 故应用形貌优化提高前地板的固有频率， 达到解耦 的目的。

图 4 声腔与地板在 150Hz 变形图3.2 优化区域及设计参数由于前地板两侧都已有加强肋， 从图 4 中可以看到， 靠近中间处的对称区域是地板和声 腔产生耦合的地方，所以把优化区域选定为该对称区域，如图 5 所示。

形貌优化设计参数为： 肋宽/mm 40 起肋角/度 60 起肋高度/mm 10图 5 前地板结优化区域示意图-5-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集3.3 优化结果根据图 5 选定的设计区域， 应用 OptiStruct 模块进行形貌优化设计并从外观以及工艺上 考虑，优化后的结果及设计的结构如下图所示。

图 6 前地板优化结果及优化后结构设计图由上图可以看出， 优化之后前地板的结构是在其中间两侧对称的增加了两条加强肋， 通 过模态计算，这样的设计使地板的第六阶（与 150Hz 时的位移变形相近）固有频率提高了 近 18Hz。

根据以上的优化设计，重新对 TB 模型进行 NTF 计算，计算后的曲线与优化前曲线的 对比如下图所示。

图 7 优化前后 NTF 曲线对比示意图 由图 7 可以看出，优化之后的 NTF 曲线虽然在 150Hz 处仍有峰值，但该处峰值也已减 少了 2dB，可知此优化对降低该频率下的声压是有一定帮助的。

4 结论本文使用 OptiStruct 完成了车身前地板结构的优化，在控制质量节约成本的基础上，提 高了地板的固有频率，降低了车身结构和声腔的耦合程度，而车身有着复杂的结构，进行车 身和声腔模态的解耦也是一个复杂的过程，要想达到真正的解耦，达到理想的效果，靠单一 加强某个零部件是很难完成的，只有不断的尝试，深入的分析才有可能实现。

-6-Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集5 参考文献[1] 庞剑 谌刚 何华编 《汽车噪声与振动理论与应用》 北京理工大学出版社 2006 [2] 李楚琳 张胜兰 冯樱 杨朝阳编 《HyperWorks 分析应用实例》 机械工业出版社 [2] 张胜兰 李楚琳 郑冬黎 郝琪编 《基于 HyperWorks 的结构优化设计技术》 机械工业出版社 2008 2008-7-。