CAE技術(shù)在汽車整車NVH模型的仿真分析與應(yīng)用

 隨著汽車的不斷普及和換代，消費(fèi)者對(duì)汽車的舒適性要求越來(lái)越高，其中作為顧客可直接感受的汽車NVH性能備受顧客和汽車廠商的關(guān)注。隨著計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，CAE技術(shù)已融入到國(guó)內(nèi)外成熟汽車企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)流程中，在整車NVH開發(fā)中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。深圳市有限元科技有限公司是一家以計(jì)算機(jī)輔助工程cae為主業(yè)，以工程仿真軟件開發(fā)為核心，集cae咨詢、cae培訓(xùn)、cae軟件研發(fā)與銷售為一體的高科技企業(yè)。目前已為全國(guó)超過(guò)500家，涉及航天、汽車、機(jī)械、電子、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域的制造企業(yè)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。如有業(yè)務(wù)的需要請(qǐng)聯(lián)系電話：13632683051，咨詢QQ：4006046636。

 在世界著名的汽車質(zhì)量評(píng)估機(jī)構(gòu)J.D.Power評(píng)估汽車質(zhì)量性能指標(biāo)中近三分之一的質(zhì)量指標(biāo)與汽車NVH性能相關(guān)。然而，與安全性、油耗等性能不同，NVH缺乏具有權(quán)威性的通用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，因此，在研發(fā)過(guò)程中如何進(jìn)行整車NVH性能的設(shè)計(jì)與控制是值得探討的重要課題。

 整車

 整車NVH問(wèn)題根據(jù)傳遞路徑不同，分為由發(fā)動(dòng)機(jī)和路面激勵(lì)引起的車內(nèi)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和結(jié)構(gòu)輻射噪聲問(wèn)題(圖1)。

圖1車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)和結(jié)構(gòu)輻射噪聲

 以及由發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲、路面噪聲、風(fēng)激勵(lì)噪聲、排氣噪聲等通過(guò)鈑金件、聲學(xué)包和孔隙等傳遞到車內(nèi)引起的空氣傳播噪聲問(wèn)題(圖2)。

圖2空氣傳播噪聲

 整車振動(dòng)與噪聲問(wèn)題與頻率相關(guān)(圖3)。

圖3NVH問(wèn)題與頻率的關(guān)系

 低頻時(shí)，主要表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)和路面引起的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，對(duì)應(yīng)的CAE分析方法主要為有限元法(FiniteElementMethod，F(xiàn)EM)和邊界元法(BoundaryElementMethod，BEM)；高頻時(shí)，主要表現(xiàn)為與密封及聲學(xué)內(nèi)外飾相關(guān)的空氣噪聲問(wèn)題，對(duì)應(yīng)的CAE方法主要為統(tǒng)計(jì)能量法(StatisticalEnergyAnalysis，SEA)；而中頻時(shí)，主要通過(guò)使用混合模型解決相關(guān)的NVH問(wèn)題。

 針對(duì)不同的NVH問(wèn)題，不同的CAE仿真分析手段已經(jīng)融入到整車開發(fā)階段中，特別是在試驗(yàn)樣車和工裝樣車之前，通過(guò)虛擬驗(yàn)證整車NVH性能，并通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，大大降低了整車振動(dòng)噪聲問(wèn)題風(fēng)險(xiǎn)，提升了開發(fā)成功率。不同企業(yè)的整車開發(fā)流程存在一定差異，但一般均包括預(yù)研、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、試制、投產(chǎn)等幾個(gè)階段，整車NVHCAE分析主要涉及整車開發(fā)中的概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證等幾個(gè)階段。

 概念設(shè)計(jì)階段，主要通過(guò)結(jié)合基礎(chǔ)車和性能標(biāo)桿車的仿真和試驗(yàn)結(jié)果，并考慮市場(chǎng)定位和成本等因素，確定整車和系統(tǒng)NVH目標(biāo)大綱，并通過(guò)CAE優(yōu)化，在概念設(shè)計(jì)方案上提出初步優(yōu)化建議；

 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，主要針對(duì)整車詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)CAE分析和優(yōu)化，提供詳盡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并實(shí)施；

 試驗(yàn)驗(yàn)證階段，主要通過(guò)分析試驗(yàn)樣車測(cè)試結(jié)果，針對(duì)存在的NVH問(wèn)題，結(jié)合CAE模型和分析結(jié)果，提供改進(jìn)建議。

 整車NVH性能開發(fā)，借助相關(guān)的CAE手段，從整車、車身、懸置系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)和聲學(xué)包系統(tǒng)等影響整車NVH性能較大的子系統(tǒng)出發(fā)，研究和改進(jìn)整車NVH性能。下文針對(duì)不同的系統(tǒng)，介紹相關(guān)的CAE分析技術(shù)以及在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

 整車NVH仿真分析是CAE技術(shù)的難點(diǎn)，其中建模方面需主要解決整車復(fù)雜模型標(biāo)定、輪胎模態(tài)模型建立、阻尼材料準(zhǔn)確描述等技術(shù)難題。建立整車精確和完整的有限元模型(圖4)。

圖4整車FEM模型

 該模型可用于分析動(dòng)力總成階次激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)輻射噪聲和關(guān)鍵位置振動(dòng)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)可以使用理論值或通過(guò)測(cè)試懸置上下加速度相應(yīng)計(jì)算出激勵(lì)力；或用于計(jì)算不同路面、不同車速下車內(nèi)結(jié)構(gòu)輻射噪聲，計(jì)算結(jié)果曲線如圖5所示。

圖5勻速車內(nèi)噪聲曲線

 車身

 車身NVH是CAE技術(shù)應(yīng)用較為成熟的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外汽車企業(yè)對(duì)于車身NVH已經(jīng)做了大量的仿真和優(yōu)化工作，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

 車身與振動(dòng)激勵(lì)源之間主要通過(guò)軟墊連接，但如果車身連接點(diǎn)動(dòng)剛度過(guò)低或存在特定頻率段下的共振，無(wú)論如何設(shè)計(jì)軟墊剛度都難以滿足隔振要求，因此，足夠的車身連接點(diǎn)動(dòng)剛度就變得非常關(guān)鍵。通過(guò)靈敏度分析，進(jìn)行車身與動(dòng)力總成、底盤、進(jìn)排氣等連接點(diǎn)動(dòng)剛度優(yōu)化(圖6)[2]可以快速找出問(wèn)題根源，并提出合理的解決方案。

圖6動(dòng)剛度弱點(diǎn)靈敏度分析

 衡量車身結(jié)構(gòu)噪聲特性的常用指標(biāo)是車身噪聲傳遞函數(shù)(NoiseTransferFunction，NTF)，即車身與底盤、動(dòng)力總成、排氣系統(tǒng)等的連接點(diǎn)施加單位激勵(lì)力，得到車內(nèi)人耳處噪聲響應(yīng)值。通常，通過(guò)阻尼材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行車身噪聲靈敏度的優(yōu)化和改進(jìn)。

 在車身設(shè)計(jì)過(guò)程中，在物理樣車出來(lái)之前，通過(guò)形貌優(yōu)化或連接點(diǎn)動(dòng)剛度優(yōu)化，達(dá)到了降低車身聲學(xué)靈敏度的效果，并且在大量的工程實(shí)踐中得到應(yīng)用(圖7)。同時(shí)，更為廣義的車身聲學(xué)靈敏度在工程實(shí)踐中也得到了應(yīng)用。如通過(guò)在動(dòng)力總成質(zhì)心位置沿曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向施加單位轉(zhuǎn)矩的掃頻激勵(lì)，來(lái)研究車內(nèi)噪聲靈敏度。該方法綜合考慮了所有懸置、進(jìn)排氣吊耳、副車架在內(nèi)的影響，對(duì)問(wèn)題研究和整改有重要意義(圖8)。

圖7基于結(jié)構(gòu)改進(jìn)的車身NTF優(yōu)化

圖8廣義的車身NTF優(yōu)化

 懸置系統(tǒng)

 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)是最重要的隔振元件，它能隔離發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成系統(tǒng)傳遞到車身的振動(dòng)，隔離路面的激勵(lì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成的振動(dòng)，支撐和固定動(dòng)力總成，控制動(dòng)力總成的轉(zhuǎn)矩負(fù)載和激勵(lì)力，它對(duì)整車NVH性能控制起著十分重要的作用。

 目前，CAE技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于懸置系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)外汽車企業(yè)在懸置系統(tǒng)NVH開發(fā)方面做了一系列的仿真和優(yōu)化工作。

圖9懸置系統(tǒng)的分析模型

 進(jìn)氣系統(tǒng)

 進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是汽車主要噪聲源之一，對(duì)車內(nèi)外噪聲貢獻(xiàn)較大。運(yùn)用一維聲學(xué)仿真軟件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口進(jìn)行噪聲仿真。圖10為某進(jìn)氣系統(tǒng)一維噪聲仿真模型，通過(guò)進(jìn)氣口麥克風(fēng)得出噪聲頻譜圖和發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍總聲壓級(jí)及階次圖(圖10)，為進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)主要考慮消聲容積、管道截面積、進(jìn)氣歧管位置等，同時(shí)通過(guò)增加赫姆霍茲諧振腔和1/4波長(zhǎng)管等共振消聲器來(lái)達(dá)到降低進(jìn)氣噪聲的目的。

圖10進(jìn)氣系統(tǒng)一維噪聲仿真模型

 排氣系統(tǒng)

 排氣系統(tǒng)噪聲源主要包括空氣噪聲、沖擊噪聲、輻射噪聲和氣流摩擦噪聲，對(duì)車內(nèi)外噪聲均有較大貢獻(xiàn)。其中，排氣尾管噪聲是排氣噪聲最重要的考察指標(biāo)，它取決于發(fā)動(dòng)機(jī)聲源特性和排氣系統(tǒng)的插入損失。

 目前，運(yùn)用CAE技術(shù)優(yōu)化排氣系統(tǒng)NVH問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐中的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。與進(jìn)氣系統(tǒng)一樣，我們運(yùn)用一維噪聲仿真軟件對(duì)排氣系統(tǒng)排氣口進(jìn)行噪聲仿真。圖11為某排氣系統(tǒng)尾管噪聲仿真模型，通過(guò)在排氣口設(shè)置麥克風(fēng)來(lái)得到排氣噪聲頻譜圖和發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)內(nèi)的聲壓級(jí)及階次圖(圖11)。

圖11某排氣系統(tǒng)一維噪聲仿真模型

 聲學(xué)包

 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、進(jìn)排氣噪聲、風(fēng)噪、路面噪聲等各種車外噪聲入射到車身，一部分反射回去，一部分通過(guò)縫隙、車體結(jié)構(gòu)和聲學(xué)包傳遞到車內(nèi)。除車體密封和車體結(jié)構(gòu)外，聲學(xué)包對(duì)噪聲到車內(nèi)的傳播起著非常重要的作用。目前，一些商用軟件已經(jīng)在聲學(xué)包高頻分析上得到了大量應(yīng)用。

 聲學(xué)包SEA分析主要包括以下步驟：根據(jù)模態(tài)相似性原則，基于車身和內(nèi)飾CAD數(shù)?；蛴邢拊獢?shù)模建立對(duì)應(yīng)的SEA子系統(tǒng)；通過(guò)材料參數(shù)模擬或試驗(yàn)方式獲取部件聲學(xué)特性；根據(jù)車身結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)建立車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)；根據(jù)車身結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)建立SEA子系統(tǒng)之間的聯(lián)系；通過(guò)理想測(cè)試和實(shí)際工況下的噪聲激勵(lì)和響應(yīng)結(jié)果，進(jìn)行模型校驗(yàn)；用校驗(yàn)后的模型進(jìn)行聲學(xué)響應(yīng)分析、聲學(xué)包優(yōu)化、分解部件聲學(xué)目標(biāo)值，并研究確定最終聲學(xué)包方案。

部件聲學(xué)傳遞損失STL獲取

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