Simcenter 3D在北美豐田整車路噪仿真的成功案例轉(zhuǎn)自公眾號： Simcenter 3D Online
作者：李海龍 1 項(xiàng)目背景
隨著車輛開發(fā)周期的不斷縮短，為了避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，在實(shí)際樣車出現(xiàn)之前的早期設(shè)計(jì)階段，整車NVH工程師對整車NVH性能進(jìn)行預(yù)測是很有必要的。目前，有限元技術(shù)在內(nèi)飾車身建模精度方面體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢，從而被廣泛采用。然而，有限元技術(shù)對于整車路噪分析比較關(guān)心的150-400Hz中頻段的建模精度仍然比較低，而且有限元技術(shù)的分析時(shí)間較長、產(chǎn)生的仿真結(jié)果文件較大。為了突破這些限制，在整車路噪仿真時(shí)采用了西門子數(shù)字工業(yè)軟件開發(fā)的混合建模技術(shù)，將懸置與傳動(dòng)系統(tǒng)的有限元模型與內(nèi)飾車身的試驗(yàn)測試傳遞函數(shù)相耦合，最后對整車路噪仿真結(jié)果與實(shí)際車輛測試結(jié)果進(jìn)行比較，展示了良好的相關(guān)性。
2 項(xiàng)目簡介 混合建模技術(shù)將試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真模型相結(jié)合，是一種縮短產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程的常用方法。在進(jìn)行NVH預(yù)測時(shí)，數(shù)值模型通常是有限元仿真模型，而測試數(shù)據(jù)通常是試驗(yàn)?zāi)B(tài)或試驗(yàn)傳遞函數(shù)，然后基于子結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)將部件的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)與仿真模型進(jìn)行裝配耦合。
本項(xiàng)目采用混合建模方法對某乘用車20-400Hz范圍內(nèi)的路噪進(jìn)行仿真。試驗(yàn)和仿真的傳遞函數(shù)據(jù)組成整車的混合模型，其中前后懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用仿真模型，車身采用試驗(yàn)測試模型，輪胎采用有預(yù)載荷的等效試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，路面載荷使用載荷識別得到的輪胎輪心力。
通過整車聲振傳函的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對整車混合模型精度進(jìn)行驗(yàn)證，保證建模的準(zhǔn)確性。另外，可以將上一代車型的路面載荷加載到混合模型上進(jìn)行整車NVH性能預(yù)測。最后，對混合模型預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。整車混合模型可以用于快速評價(jià)不同設(shè)計(jì)方案的路噪等級及效果，同時(shí)，可以對有限元仿真模型中襯套、懸置部件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
2.1 載荷識別
路噪載荷來自輪胎與路面的接觸，但直接測試該載荷不容易實(shí)現(xiàn)，因此可以采用載荷識別的方法間接實(shí)現(xiàn)，載荷識別主要有兩種方式：傳函逆矩陣方法及原點(diǎn)動(dòng)剛度方法，本項(xiàng)目采用傳函逆矩陣方法識別路噪載荷。
 圖1 路面載荷識別
為了驗(yàn)證載荷識別得到的載荷精度，利用得到的輪心等效力乘以輪心到駕駛員耳側(cè)傳函得到駕駛員耳測的聲壓，并與整車駕駛員耳側(cè)實(shí)測聲壓進(jìn)行對比，兩者曲線幅值趨勢基本一致，驗(yàn)證了路噪載荷精度。
 圖2 駕駛員耳側(cè)試驗(yàn)測試聲壓與載荷識別綜合聲壓結(jié)果對比
2.2 輪胎建模
雖然輪胎是整車模型的重要組成部分，但由于其強(qiáng)非線性特性，因此傳統(tǒng)的有限元方法很難實(shí)現(xiàn)輪胎的準(zhǔn)確建模。同時(shí)，輪胎有限元模型的自由度非常多，不適合用于整車路噪仿真。為了解決輪胎建模的困難，設(shè)計(jì)了輪胎試驗(yàn)臺(tái)架，利用試驗(yàn)方法建立輪胎試驗(yàn)等效模型，同時(shí)可以考慮整車重量作用在輪胎上的預(yù)應(yīng)力。
 圖3 試驗(yàn)輪胎臺(tái)架示意圖
2.3 懸掛減振器建模
由于懸掛減振器的阻尼效應(yīng)很難通過有限元模型來模擬，為了克服該困難，通過試驗(yàn)方法輔助減振器建模。
 圖4 減振器測試臺(tái)架
1）進(jìn)行減振器模態(tài)測試，利用相關(guān)性分析及模型修正技術(shù)，修正減振器的有限元模型。
2）進(jìn)行減振器傳函測試，利用試驗(yàn)傳函修正減振器有限元模型的阻尼參數(shù)。
2.4 懸掛系統(tǒng)建模
通過整合各部件的試驗(yàn)及仿真模型進(jìn)行懸掛系統(tǒng)建模。
1）輪胎采用有預(yù)載荷的試驗(yàn)等效輪胎。
2）減振器采用有限元模型及試驗(yàn)等效阻尼。
3）副車架、懸臂、轉(zhuǎn)向節(jié)等采用有限元模型。
4）襯套采用線性彈簧模型。
為了驗(yàn)證懸掛系統(tǒng)混合模型的建模精度，建立整車1/4懸掛試驗(yàn)臺(tái)架，并進(jìn)行傳遞函數(shù)測試，如下圖所示。
 圖5 整車1/4懸掛試驗(yàn)臺(tái)架
利用懸掛混合模型進(jìn)行傳遞函數(shù)仿真，并與試驗(yàn)測試傳遞函數(shù)進(jìn)行對比，仿真?zhèn)骱c試驗(yàn)傳函高度吻合，驗(yàn)證了懸掛混合模型的建模精度。
 圖6 懸掛系統(tǒng)試驗(yàn)傳函與仿真?zhèn)骱瘜Ρ?/div>
2.5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模
建立轉(zhuǎn)向柱試驗(yàn)臺(tái)架，利用其試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)修正轉(zhuǎn)向柱有限元模型精度，如下圖所示。
 圖7 轉(zhuǎn)向柱試驗(yàn)臺(tái)架
同樣的方式，分別對轉(zhuǎn)向齒條以及方向盤進(jìn)行有限元模型修正，然后將各個(gè)部件進(jìn)行裝配，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的有限元模型，如下圖所示。
 圖8 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型
2.6 動(dòng)力總成系統(tǒng)建模
動(dòng)力總成包括發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器以及傳統(tǒng)等部件，動(dòng)力總成系統(tǒng)是影響路噪低頻振動(dòng)噪聲的主要部件，這些部件主要通過其集中質(zhì)量及慣性矩陣來表示。
2.7 整車裝配體建模
將前后懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力總成系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)、車身系統(tǒng)等部件仿真或者試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b配成整車的混合模型，如下圖所示。
 圖9 整車的裝配體混合模型
基于整車的裝配體混合模型，仿真分析轉(zhuǎn)向節(jié)到駕駛員耳側(cè)噪聲傳遞函數(shù)，并與整車實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在20-400Hz范圍內(nèi)具有很好的相關(guān)性，說明整車的裝配體混合模型具有較高的建模精度。
 圖10 轉(zhuǎn)向節(jié)到駕駛員耳側(cè)的試驗(yàn)-仿真?zhèn)鬟f函數(shù)對比
2.8 整車路噪仿真
將載荷識別得到的輪胎輪心載荷施加到整車混合模型上，計(jì)算實(shí)際工況下車內(nèi)駕駛員耳側(cè)的噪聲，然后進(jìn)行整車駕駛員耳側(cè)噪聲的實(shí)測，在20-400Hz范圍內(nèi)基于整車混合模型得到路噪頻譜曲線的主要峰值、趨勢與實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致，如下圖所示。
 圖11 駕駛員耳側(cè)仿真與實(shí)測路噪對比
2.9 快速優(yōu)化設(shè)計(jì)
建立整車混合模型的主要目的是獲得一種進(jìn)行車內(nèi)路噪水平優(yōu)化的有效方式。整車路噪的優(yōu)化參數(shù)主要包括采用不同的懸置、修改副車架等部件的設(shè)計(jì)參數(shù)等等。一旦確定了路噪的優(yōu)化方向，就可以利用優(yōu)化算法進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而快速獲取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
3 結(jié)論 本項(xiàng)目基于某乘用車現(xiàn)有懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用Simcenter 3D混合建模方法進(jìn)行整車路噪分析，實(shí)現(xiàn)了在車型早期設(shè)計(jì)階段預(yù)測其實(shí)際路噪水平的目的。混合建模技術(shù)可以將設(shè)計(jì)階段部件的有限元模型以及其上一代其它部件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)組成混合模型，進(jìn)行整車NVH性能預(yù)測。在本次整車路噪分析過程中，利用試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)代替內(nèi)飾車身模型，實(shí)現(xiàn)了中頻段的路噪仿真，極大提高了仿真精度及效率，同時(shí)降低了計(jì)算資源。
實(shí)際上，該混合建模方法可以利用已有部件或者新設(shè)計(jì)部件所有可用的試驗(yàn)或者仿真信息，實(shí)現(xiàn)整車路噪水平的更準(zhǔn)確評價(jià)，獲得設(shè)計(jì)方案變更對整車路噪的影響趨勢。在整個(gè)開發(fā)周期中，可以實(shí)現(xiàn)早期設(shè)計(jì)階段整車路噪指標(biāo)的精確預(yù)測，從而獲取最佳的設(shè)計(jì)方案。
參考文獻(xiàn)：Charles Gagliano, Andrea Martin, Jared Cox. A Hybrid Full Vehicle Model for Structure Borne Road Noise Prediction[J].SAE Paper,2005-01-2467
備注：如欲詳細(xì)了解Simcenter 3D混合建模技術(shù)，請參考《虛實(shí)結(jié)合之Simcenter 3D 試驗(yàn)-仿真混合建模》一文。 |
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