概況

世界上許多城市都面臨著城市交通方式的改變。低顆粒排放和對更安全、更安靜的環(huán)境的需求是塑造未來交通的關(guān)鍵概念。電動和自動駕駛車輛作為可持續(xù)交通系統(tǒng)的推動者，其最新技術(shù)的涌現(xiàn)正在加速用戶的使用。

設(shè)計(jì)電動和自動駕駛車輛對NVH設(shè)計(jì)和工程團(tuán)隊(duì)來說是一個挑戰(zhàn)：他們需要在處理新的噪聲源和進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)對消費(fèi)者對聲學(xué)舒適性日益增長的期望。

對于斯堪尼亞這個世界領(lǐng)先的交通解決方案提供商來說，在設(shè)計(jì)過程中考慮司機(jī)和乘客的聲學(xué)舒適性一直是非常重要的。愉快的駕車和乘坐體驗(yàn)不僅對購買者或通勤者至關(guān)重要，而且還影響健康和生產(chǎn)力。斯堪尼亞致力于通過優(yōu)化車輛內(nèi)部噪音的水平和質(zhì)量，使其車輛緊隨當(dāng)今消費(fèi)者對聲學(xué)的預(yù)期。通過大量的測試和振動聲學(xué)仿真技術(shù)新方法的使用，NVH特性得以不斷優(yōu)化和發(fā)展。在眾多新技術(shù)方法的嘗試中，斯堪尼亞巴士公司的計(jì)算團(tuán)隊(duì)決定使用Actran虛擬統(tǒng)計(jì)能量方法這項(xiàng)新功能來評估其公交車產(chǎn)品的中高頻振動聲學(xué)性能。

“有了Actran 虛擬統(tǒng)計(jì)能量方法，我們現(xiàn)有的有限元模型能夠被重新利用，這對于我們來說是最好的設(shè)計(jì)方式。”—Per-Olof Berglund，斯堪尼亞巴士高級NVH CAE工程師

挑戰(zhàn)

公共汽車有多種類型的發(fā)動機(jī)（包括混合動力結(jié)構(gòu)）?？梢员ＷC正常運(yùn)行時間的情況下，將可靠性和低環(huán)境影響結(jié)合起來，是一種經(jīng)濟(jì)有效的城市交通解決方案。能夠在提供高效的交通運(yùn)輸平臺的同時提供舒適的環(huán)境對乘客和司機(jī)都是一個挑戰(zhàn)。在考慮車內(nèi)NVH舒適性方面，驅(qū)動最終車輛內(nèi)部聲音和振動水平有多種因素。一方面，需要調(diào)查和預(yù)測人體對低頻振動的敏感性。在這些頻段內(nèi)，道路和動力系統(tǒng)的激勵是車身振動的主要原因；另一方面，輔助裝置產(chǎn)生高頻噪聲，這正是人的耳朵非常敏感的頻段，所以也需要關(guān)注；最后，電動動力系統(tǒng)也很重要，不僅是在汽車行業(yè)，在公共交通領(lǐng)域，也常常采用電動動力系統(tǒng)，這樣會產(chǎn)生高頻的激勵。

MSC軟件解決方案

為了覆蓋更寬的頻率，斯堪尼亞巴士計(jì)算團(tuán)隊(duì)正在研究能夠滿足新要求的合適方法，既可以利用有限元模擬中的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有的有限元模型也可以被再次利用。
從有限元到統(tǒng)計(jì)能量

“有了Actran 虛擬統(tǒng)計(jì)能量方法，我們現(xiàn)有的有限元模型能夠被重新利用，這對于我們來說是最好的狀態(tài)。” Per Olof Berglund，斯堪尼亞巴士高級NVH CAE工程師說道。使用Actran SEA模塊和虛擬統(tǒng)計(jì)能量方法，CAE工程師確實(shí)能夠使用他們現(xiàn)有的有限元聲振耦合模型（模態(tài)振性和特征值）去創(chuàng)建一個統(tǒng)計(jì)能量模型。這不需要通過實(shí)驗(yàn)或者解析公式即可建立統(tǒng)計(jì)能量模型。


 圖1-MSC Nastran有限元和ActranSEA模型
振動聲學(xué)響應(yīng)預(yù)測

使用MSC Nastran提取的結(jié)構(gòu)和聲學(xué)模態(tài)創(chuàng)建巴士完整的聲振耦合SEA模型。在Actran圖形界面中根據(jù)有限元單元屬性號和結(jié)構(gòu)的材料以及形狀劃分子系統(tǒng)，用來創(chuàng)建統(tǒng)計(jì)能量矩陣。

圖2-創(chuàng)建Actran虛擬統(tǒng)計(jì)能量模型需要的輸入
Actran的統(tǒng)計(jì)能量方法模塊提供了從現(xiàn)有的低中頻響應(yīng)到中高頻響應(yīng)的平滑過渡。工程師能夠讓他們的工作更有價(jià)值，同時在創(chuàng)建準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)能量模型時沒有對幾何結(jié)構(gòu)形狀的任何限制。

圖3-整個巴士結(jié)構(gòu)上的能量-模態(tài)頻響（藍(lán)色）和虛擬統(tǒng)計(jì)能量響應(yīng)（紅色）
Actran通過外插值功能，在更短的時間里獲得更高頻的SEA參數(shù)。計(jì)算得到整個關(guān)心頻段中的能量級、動能和平均聲壓級。

圖4-巴士子系統(tǒng)上的動能響應(yīng)-外插值結(jié)果

圖5-聲腔子系統(tǒng)上的平均聲壓級響應(yīng)-外插值結(jié)果
傳遞路徑分析

Actran統(tǒng)計(jì)能量模型有豐富的結(jié)果輸出形式，其中包括查看不同的兩個子系統(tǒng)之間的能量流動。工程師對這種等效的傳遞路徑很感興趣，可以幫助分析振動能量是如何傳遞到其他結(jié)構(gòu)部件上。通過選取感興趣的子系統(tǒng)，用戶可以查看對于不同載荷工況作用下選定子系統(tǒng)中的能量隨頻率而變化的來源。

圖6-從載荷施加結(jié)構(gòu)部件（前風(fēng)擋）到感興趣的部件（巴士后墻板）200Hz和800Hz的傳遞路徑分析

關(guān)于斯堪尼亞

斯堪尼亞是世界領(lǐng)先的運(yùn)輸解決方案提供商。他們正在與合作伙伴和客戶一起推動向可持續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。2018年，他們交付了8.8萬輛卡車、8500輛公共汽車以及12800臺工業(yè)和船舶發(fā)動機(jī)給顧客。凈銷售額超過1370億瑞典克朗，其中約20%與服務(wù)相關(guān)。始建于1891年的斯堪尼亞，現(xiàn)在業(yè)務(wù)已覆蓋100多個國家，擁有員工約52100人。研發(fā)集中在瑞典，巴西和印度設(shè)有分支機(jī)構(gòu)。生產(chǎn)制造在歐洲、拉丁美洲和亞洲，非洲、亞洲和歐亞大陸設(shè)有區(qū)域生產(chǎn)中心。斯堪尼亞是特拉頓集團(tuán)的一員。