cae技术在nvh开发中的应用

cae技术在nvh开发中的应用

随着汽车的普及和更换，消费者对汽车的舒适度要求越来越高。其中，nvh作为宾客可以直接感受到的性能深受顾客和汽车制造商的喜爱。在世界著名的汽车质量评估机构J.D.Power评估汽车质量性能指标中近三分之一的质量指标与汽车NVH性能相关。然而,与安全性、油耗等性能不同,NVH缺乏具有权威性的通用规范和标准,因此,在研发过程中如何进行整车NVH性能的设计与控制是值得探讨的重要课题。随着计算机等技术的发展,CAE技术已融入到国内外成熟汽车企业产品研发流程中,在整车NVH开发中发挥了越来越重要的作用。本文针对整车NVH开发中的关键环节,阐述了相关的CAE分析技术和研究方法,以及在工程实践中的应用。1整车nvhcae分析整车NVH问题根据传递路径不同,分为由发动机和路面激励引起的车内结构振动和结构辐射噪声问题(图1),以及由发动机辐射噪声、路面噪声、风激励噪声、排气噪声等通过钣金件、声学包和孔隙等传递到车内引起的空气传播噪声问题(图2)。整车振动与噪声问题与频率相关(图3)。低频时,主要表现为发动机和路面引起的振动和噪声问题,对应的CAE分析方法主要为有限元法(FiniteElementMethod,FEM)和边界元法(BoundaryElementMethod,BEM);高频时,主要表现为与密封及声学内外饰相关的空气噪声问题,对应的CAE方法主要为统计能量法(StatisticalEnergyAnalysis,SEA);而中频时,主要通过使用混合模型解决相关的NVH问题。针对不同的NVH问题,不同的CAE仿真分析手段已经融入到整车开发阶段中,特别是在试验样车和工装样车之前,通过虚拟验证整车NVH性能,并通过优化改进,大大降低了整车振动噪声问题风险,提升了开发成功率。不同企业的整车开发流程存在一定差异,但一般均包括预研、概念设计、详细设计、试验验证、试制、投产等几个阶段,整车NVHCAE分析主要涉及整车开发中的概念设计、详细设计、试验验证等几个阶段。概念设计阶段,主要通过结合基础车和性能标杆车的仿真和试验结果,并考虑市场定位和成本等因素,确定整车和系统NVH目标大纲,并通过CAE优化,在概念设计方案上提出初步优化建议;详细设计阶段,主要针对整车详细设计方案,通过CAE分析和优化,提供详尽的优化设计方案并实施;试验验证阶段,主要通过分析试验样车测试结果,针对存在的NVH问题,结合CAE模型和分析结果,提供改进建议。整车NVH性能开发,借助相关的CAE手段,从整车、车身、悬置系统、进排气系统和声学包系统等影响整车NVH性能较大的子系统出发,研究和改进整车NVH性能。下文针对不同的系统,介绍相关的CAE分析技术以及在工程实践中的应用。2建立模型的建立整车NVH仿真分析是CAE技术的难点,其中建模方面需主要解决整车复杂模型标定、轮胎模态模型建立、阻尼材料准确描述等技术难题。建立整车精确和完整的有限元模型(图4)。该模型可用于分析动力总成阶次激励引起的结构辐射噪声和关键位置振动,其中发动机激励可以使用理论值或通过测试悬置上下加速度相应计算出激励力;或用于计算不同路面、不同车速下车内结构辐射噪声,计算结果曲线如图5所示。3思想上进排气等连接点动刚度优化车身NVH是CAE技术应用较为成熟的领域,国内外汽车企业对于车身NVH已经做了大量的仿真和优化工作,主要表现在以下几个方面。(1)车身与振动激励源之间主要通过软垫连接,但如果车身连接点动刚度过低或存在特定频率段下的共振,无论如何设计软垫刚度都难以满足隔振要求,因此,足够的车身连接点动刚度就变得非常关键。通过灵敏度分析,进行车身与动力总成、底盘、进排气等连接点动刚度优化(图6)可以快速找出问题根源,并提出合理的解决方案。(2)衡量车身结构噪声特性的常用指标是车身噪声传递函数(NoiseTransferFunction,NTF),即车身与底盘、动力总成、排气系统等的连接点施加单位激励力,得到车内人耳处噪声响应值。通常,通过阻尼材料或结构进行车身噪声灵敏度的优化和改进。在车身设计过程中,在物理样车出来之前,通过形貌优化或连接点动刚度优化,达到了降低车身声学灵敏度的效果,并且在大量的工程实践中得到应用(图7)。同时,更为广义的车身声学灵敏度在工程实践中也得到了应用。如通过在动力总成质心位置沿曲轴转动方向施加单位转矩的扫频激励,来研究车内噪声灵敏度。该方法综合考虑了所有悬置、进排气吊耳、副车架在内的影响,对问题研究和整改有重要意义(图8)。(3)FEM和SEA是标准的汽车工业振动噪声响应预测方法,然而,这两种方法都难以处理所谓的中频段问题。在中频段,已经开始尝试使用FEM与SEA的混合模型,该混合模型可以用于整车宽频带(200~1000Hz)的车内结构噪声预测和标定工作(图9)。图9上图为FEM与SEA的混合模型,图9下图为发动机悬置激励下的车内结构噪声灵敏度。4离路面的激励动力总成悬置系统是最重要的隔振元件,它能隔离发动机动力总成系统传递到车身的振动,隔离路面的激励对发动机动力总成的振动,支撑和固定动力总成,控制动力总成的转矩负载和激励力,它对整车NVH性能控制起着十分重要的作用。目前,CAE技术已经成功应用于悬置系统的开发设计中,国内外汽车企业在悬置系统NVH开发方面做了一系列的仿真和优化工作。4.1u3000模型悬置系统的模态仿真分析主要目的在于评价固有频率的配置是否合理。图10所示为某动力总成悬置系统的多体分析模型。悬置系统的模态分析主要是对其固有频率进行配置。固有频率配置是指发动机悬置系统的固有频率应具有合理的分布,使系统不容易产生共振及耦合振动,提高NVH性能。图11所示为某悬置的仿真分析获得的模态频率分布图。4.2解耦度的测试理论上,如果动力总成系统固有模态存在运动耦合,在某个自由度方向上的振动就会激起其它自由度方向的振动,对系统隔振不利。因此,解耦程度的高低是衡量悬置系统设计好坏的重要指标,一般要求解耦度达到85%以上,特别是关键自由度方向的解耦度。图12所示为某悬置系统初始状态模态能量解耦图,通过结合优化软件可实现模态能量的充分解耦。4.3cae分析的运用影响悬置系统NVH性能的因素主要包括刚度、阻尼、悬置布置等。在悬置系统众多的设计参数中,为了研究各悬置参数对设计目标的影响,通常可以运用CAE手段进行参数灵敏度分析,根据灵敏度分析结果确定最佳优化变量,再对结果优化设计。图13所示为悬置系统模态频率对悬置刚度的灵敏度结果柱状图显示。4.4悬置非线性特性分析悬置在3个方向的力-位移曲线是非线性的,但可以用分段线性的方法来描述其非线性特性,其中悬置线性段部分的刚度主要由悬置系统的频率和解耦率确定;非线形部分由动力总成位移控制的要求确定。4.5悬置系统的设计根据整车厂提供的载荷工况和动力总成位移控制的要求,悬置系统设计部门对动力总成的位移进行控制,设计各个悬置在弹性主轴方向的非线形刚度及其拐点。图14所示为某动力总成系统悬置的力-位移刚度曲线设计值。4.6动力总成质心检测目前一些研究人员已经开始尝试运用CAE技术分析动力总成系统的振动响应。在分析动力总成的振动响应时,通常的办法是在多体动力学软件中建立动力总成悬置系统的动力学模型,根据不同工况下发动机激励计算出动力总成动态位移等响应。如对某动力总成系统设置曲轴偏心重量为1kg、偏心距为10mm、扰动频率为50Hz;设置变速器动力输出端反作用转矩93.6N·m,其扰动量取1%,扰动频率100Hz。获得动力总成质心的位移状态如图15所示。图16所示为该系统左悬置车架侧支座动反力曲线。5进气系统的噪声优化方法进气系统噪声是汽车主要噪声源之一,对车内外噪声贡献较大。运用一维声学仿真软件对进气系统进气口进行噪声仿真。图17为某进气系统一维噪声仿真模型,通过进气口麦克风得出噪声频谱图和发动机额定转速范围总声压级及阶次图(图18),为进气系统设计和优化提供依据。进气系统声学设计主要考虑消声容积、管道截面积、进气歧管位置等,同时通过增加赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管等共振消声器来达到降低进气噪声的目的。通过增加空气滤清器容积,改变管口形状、管径、方向等方法来降低进气系统整体声压级(图19)。通过设计对应频率段的赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管等降低某频率段声压级从而降低整体声压级,如图20所示。6cae技术在nvh问题中的实现排气系统噪声源主要包括空气噪声、冲击噪声、辐射噪声和气流摩擦噪声,对车内外噪声均有较大贡献。其中,排气尾管噪声是排气噪声最重要的考察指标,它取决于发动机声源特性和排气系统的插入损失。目前,运用CAE技术优化排气系统NVH问题在国内外工程实践中的应用已经非常成熟。与进气系统一样,我们运用一维噪声仿真软件对排气系统排气口进行噪声仿真。图21为某排气系统尾管噪声仿真模型,通过在排气口设置麦克风来得到排气噪声频谱图和发动机额定转数内的声压级及阶次图(图22)。通常,通过优化排气系统管路布置、增大消声器容积、优化消声器在排气系统中的位置和数量等方法来降低排气系统噪声。如图23所示,通过增加消声器数量,大大降低了排气系统尾管噪声。通过分析消声器传递损失、插入损失,优化消声器的内部结构参数来降低排气系统某频率段噪声(图24)。7建立整车模型汽车发动机噪声、进排气噪声、风噪、路面噪声等各种车外噪声入射到车身,一部分反射回去,一部分通过缝隙、车体结构和声学包传递到车内。除车体密封和车体结构外,声学包对噪声到车内的传播起着非常重要的作用。目前,一些商用软件已经在声学包高频分析上得到了大量应用。声学包SEA分析主要包括以下步骤:根据模态相似性原则,基于车身和内饰CAD数模或有限元数模建立对应的SEA子系统;通过材料参数模拟或试验方式获取部件声学特性;根据车身结构子系统建立车内声腔子系统;根据车身结构子系统建立SEA子系统之间的联系;通过理想测试和实际工况下的噪声激励和响应结果,进行模型校验;用校验后的模型进行声学响应分析、声学包优化、分解部件声学目标值,并研究确定最终声学包方案。其中,部件声学传递损失(SoundTransmissionLoss,STL)是声学包分析的重要输入参数,主要通过仿真或试验方法获取。仿真方法是建立一个独立的SEA模型,该模型由1个声源腔、1个接受腔和联结到这两个腔的若干联系的结构子系统构成,同时包含所有必须的连接以及1个关联到声源腔的功率源,如图25左图所示。通过运用SEA模型,能够快速地计算前围隔音垫、地毯、车门等重要的隔声部件的STL。另外,更为准确同时成本也更高的部件STL获取方式是通过试验得到的,如图25右图所示。通过模板或手动方式建立整车SEA模型(图26),同时要求实现空腔子系统与结构子系统的面连接,并输入各个结构子系统的尺寸、密度及材料属性等。在完成SEA模型的搭建以后,可进行理想工况下的SEA模型仿真结果与试验的对标工作。一般认为仿真与试验结果相差3dB以内,该SEA模型可以用于后续声学包的研究和优化(图27)。