周慧琳 趙向陽(yáng) 溫永美 王向陽(yáng)
摘要:針對(duì)新能源汽車(chē)振動(dòng)與噪聲問(wèn)題,采用在板材上周期貼敷壓電片并連接分流電路的方法構(gòu)建了智能超材料板。仿真結(jié)果表明,電阻分流電路可以有效抑制模態(tài)振動(dòng)峰值;電感分流電路和電阻-電感分流電路都可以形成局域共振帶隙,帶隙內(nèi)相應(yīng)頻率振動(dòng)可以得到有效抑制,且?guī)段恢每煞奖愕耐ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)電感值實(shí)現(xiàn)。構(gòu)建的智能超材料板具有附加質(zhì)量低及智能化調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn),可有效減輕新能源汽車(chē)車(chē)身振動(dòng)。
Abstract: Aiming at the problem of vibration and noise of new energy vehicles, an intelligent metamaterial plate bonded periodically piezoelectric patches with shunting circuits is constructed. The simulation results show that the resistive shunting circuits can effectively suppress the modal vibration peaks;Both resistive shunting circuits and resistive-inductive shunting circuits can form a LR bandgap, the corresponding frequency vibration located in the bandgap can be effectively suppressed, and the bandgap position can be easily adjusted by the inductive value. The intelligent metamaterial plate has the advantages of low added mass and intelligent adjustment, which can effectively reduce the body vibration of new energy vehicles.
關(guān)鍵詞:壓電;智能;超材料;新能源汽車(chē);NVH
Key words: piezoelectric;intelligence;metamaterials;new energy vehicles;NVH
中圖分類(lèi)號(hào):U463? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1674-957X(2021)18-0046-03
0? 引言
《中國(guó)制造2025》提出“節(jié)能與新能源汽車(chē)”作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域,明確了繼續(xù)支持電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì),汽車(chē)整車(chē)約 1/3 的故障問(wèn)題與 NVH (噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度)特性有關(guān)。由此可見(jiàn),分析解決汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題是汽車(chē)研發(fā)的重要課題[1]。新能源汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)NVH性能差異主要體現(xiàn)在:在結(jié)構(gòu)上增加了諸多新的部件,相較于傳統(tǒng)汽車(chē),其動(dòng)力系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、氣候控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)都有了很大的不同。同時(shí)由于背景噪聲的變化而凸顯的路噪、風(fēng)噪及異響等問(wèn)題也比傳統(tǒng)汽車(chē)表現(xiàn)明顯[2]。在節(jié)能環(huán)保的大背景下,車(chē)身結(jié)構(gòu)趨于輕量化。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕、阻尼小、模態(tài)密度大,更易于在外部激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)并輻射噪聲,給車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲的控制帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的隔聲、減振以及吸聲等技術(shù)手段應(yīng)用于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí),低頻效果往往不佳,同時(shí)附加質(zhì)量和體積過(guò)大。近年來(lái),智能超材料作為一種新型結(jié)構(gòu)材料得到了廣泛的關(guān)注。這種新型結(jié)構(gòu)材料主要由周期排列的人工結(jié)構(gòu)單元組成,可實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性波的調(diào)制,從而產(chǎn)生與天然材料所不同的超常物理性質(zhì),而其中的低頻帶隙特性,有望為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲控制提供新的技術(shù)途徑?;谥芷趬弘姺至麝嚵械闹悄苈晫W(xué)超材料最具代表性。壓電分流具有輕質(zhì)、靈活以及特性優(yōu)良等特點(diǎn),因此被視為一種很有潛力的振動(dòng)和噪聲的控制技術(shù)。Hagood等人首先提出了含電阻-電感諧振分流電路的壓電陶瓷(PZT)分流結(jié)構(gòu),通過(guò)用“智能材料-分流電路”組成的振子結(jié)構(gòu)取代機(jī)械振子,將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,可以?shí)現(xiàn)類(lèi)似于傳統(tǒng)動(dòng)力吸振器的作用,從而在低附加質(zhì)量的條件下實(shí)現(xiàn)局域共振帶隙。湖南大學(xué)的王剛、張曉東等以梁、板、薄膜等結(jié)構(gòu)為對(duì)象,利用壓電分流技術(shù),同時(shí)引入主動(dòng)控制策略,提出了基于增強(qiáng)諧振壓電分流電路的智能超材料單元的新結(jié)構(gòu)形式,明顯改善了智能超材料低頻帶隙的振動(dòng)衰減特性。Airoldi等人則引入了多模態(tài)壓電諧振分流電路,通過(guò)電路的多模態(tài)諧振獲得了多個(gè)帶隙,在一定程度上拓寬了作用頻帶。但是,將壓電智能超材料應(yīng)用于新能源汽車(chē)NVH控制的研究還相對(duì)較少[3-5]。
1? 模型建立
如圖1所示,一車(chē)身板件長(zhǎng)寬都為L(zhǎng)b,上下面對(duì)應(yīng)位置粘貼壓電片,且壓電片縱、橫向間距相等,形成正方形晶格。每個(gè)壓電片都以厚度方向極化,且與由電感、電阻等組成的分流電路相連。如果壓電片及分流參數(shù)相同,整個(gè)結(jié)構(gòu)就可認(rèn)為是由單個(gè)元胞形成的二維超材料板。單個(gè)元胞結(jié)構(gòu)如圖2所示,其幾何和材料參數(shù)如表1和表2所示。
利用有限元軟件COMSOL進(jìn)行仿真分析,建立的有限元模型如圖3所示。
2? 振動(dòng)傳輸特性分析
如圖1所示,在板的一端A點(diǎn)處施加簡(jiǎn)諧激勵(lì),在另一端B點(diǎn)拾取響應(yīng),計(jì)算得到位移傳輸特性曲線。
2.1 電感分流電路
分流電路中只有電感,其可以和壓電片固有電容產(chǎn)生諧振,形成局域共振帶隙[1,6]。諧振頻率可按下式計(jì)算:
(1)
式中,ft為諧振頻率;L為分流電路中電感;Cp為壓電片固有電容,其值為96nF。
分流電路中電感分別取1.39H和0.26H,諧振頻率分別在435Hz和997Hz,計(jì)算得到振動(dòng)位移傳輸特性曲線如圖4(a)、圖4(b)所示,其中實(shí)線代表沒(méi)有諧振(即電感為0)效果,虛線代表有電路諧振效果。
從圖4(a)可以看出,在409-463Hz范圍內(nèi)形成一個(gè)衰減區(qū)域,即局域共振帶隙,在帶隙內(nèi)相應(yīng)頻率的振動(dòng)得到了有效衰減。其帶寬為54Hz,帶隙內(nèi)最大衰減達(dá)到91dB。同樣,在圖4(b)中也出現(xiàn)了局域共振帶隙,禁帶范圍為959-1023Hz,帶寬為65Hz,帶隙內(nèi)最大衰減為58dB。
2.2 電阻分流電路
分流電路中只有電阻存在,其分流復(fù)阻抗為:Z=R。計(jì)算的傳輸特性曲線如圖5所示,因?yàn)榉至麟娐分袩o(wú)電感不能形成諧振,故不會(huì)出現(xiàn)局域共振帶隙。但分流電路中的電阻具有阻尼耗散效果,在0-1500Hz通帶內(nèi)都有一定的衰減效果,尤其在傳輸曲線的峰值處衰減程度最大,如在1085Hz,衰減達(dá)到了53dB。
2.3 電阻-電感分流電路
分流電路為一電阻和一電感串聯(lián)而成,電阻和電感具體取值見(jiàn)圖6所示。計(jì)算得到的傳輸特性曲線如圖6所示??梢钥闯?,與圖5對(duì)比,電阻-電感分流電路同樣可以產(chǎn)生局域共振帶隙。分流電路中電阻對(duì)帶隙位置影響不明顯,但對(duì)局域共振帶隙的上、下邊界有較強(qiáng)的阻尼衰減效果,可以擴(kuò)展帶隙的寬度;電阻會(huì)影響電路的諧振效果,使帶隙內(nèi)部的最大衰減減小。
3? 結(jié)論
構(gòu)建的壓電智能型超材料板可以有效抑制振動(dòng)。電阻分流電路板在通帶內(nèi)可以有效減小振動(dòng)峰值,抑制模態(tài)振動(dòng)。電感分流電路和電阻-電感分流電路都可以形成較寬的局域共振帶隙,在帶隙內(nèi)相應(yīng)頻率的振動(dòng)都可以得到有效的衰減;兩者帶隙位置基本相同,但后者較前者帶隙的上下邊界有較強(qiáng)的阻尼衰減,從而擴(kuò)展帶隙的寬度,但另一方面,電阻會(huì)抑制電路的諧振效果,使得帶隙內(nèi)最大衰減變小。通過(guò)調(diào)節(jié)電感值,可方便實(shí)現(xiàn)局域共振帶隙位置的調(diào)整,能實(shí)現(xiàn)在預(yù)定頻率范圍的振動(dòng)抑制。構(gòu)建的超材料板具有附加質(zhì)量低且能實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn),可用于新能源汽車(chē)車(chē)身振動(dòng)與噪聲控制。
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