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虛實(shí)結(jié)合之Simcenter 3D 試驗(yàn)-仿真混合建模

2020-01-19 18:40:12·  來源：Simcenter 3D Online  作者：李海龍  
　
1前言數(shù)值仿真和物理試驗(yàn)是目前產(chǎn)品NVH設(shè)計(jì)的兩大技術(shù)手段。物理試驗(yàn)的特點(diǎn)是試驗(yàn)技術(shù)比較直觀、結(jié)果比較確定，但缺點(diǎn)是必須在具備實(shí)際物理樣機(jī)的條件下才能進(jìn)行
1 前言
 
數(shù)值仿真和物理試驗(yàn)是目前產(chǎn)品NVH設(shè)計(jì)的兩大技術(shù)手段。物理試驗(yàn)的特點(diǎn)是試驗(yàn)技術(shù)比較直觀、結(jié)果比較確定，但缺點(diǎn)是必須在具備實(shí)際物理樣機(jī)的條件下才能進(jìn)行，而且一般成本高、周期長(zhǎng)；而數(shù)值仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于效率高、成本低、能夠得到試驗(yàn)方法無法獲得的信息，可以在設(shè)計(jì)前期不具備物理樣機(jī)的情況下即開始應(yīng)用，并有效的指導(dǎo)設(shè)計(jì)。
 
NVH行業(yè)內(nèi)流行一句調(diào)侃，“沒有試驗(yàn)支撐的仿真屬于仿假”。因?yàn)楹芏嗲闆r下仿真模型存在一些不確定因素，需要與物理試驗(yàn)結(jié)合以提高數(shù)值仿真分析的精度。針對(duì)產(chǎn)品NVH設(shè)計(jì)過程中試驗(yàn)與仿真手段所面臨的問題，西門子數(shù)字工業(yè)軟件作為世界唯一一家同時(shí)具備NVH試驗(yàn)測(cè)試硬件與NVH仿真軟件的供應(yīng)商，獨(dú)創(chuàng)性的將物理試驗(yàn)和仿真分析兩種方法集成起來，開創(chuàng)性的提出了系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模技術(shù)，該技術(shù)可以充分發(fā)揮試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)與仿真分析技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，共同指導(dǎo)產(chǎn)品NVH設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)“試驗(yàn)-仿真兩條腿走路”。
 
2 Simcenter3D 系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模技術(shù)
系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模是Simcenter3D最為獨(dú)特的功能之一，所謂混合是試驗(yàn)與仿真的混合，即子系統(tǒng)既可以通過試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砻枋鲆部梢酝ㄟ^仿真模型來描述?；旌辖３浞掷昧嗽囼?yàn)測(cè)試的快捷準(zhǔn)確與仿真建模的靈活方便。對(duì)于無法獲取CAD或CAE模型的子系統(tǒng)，可以用試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛?，既不影響系統(tǒng)分析又保護(hù)了技術(shù)秘密。試驗(yàn)?zāi)Ｐ兔枋龅淖酉到y(tǒng)，充分考慮了系統(tǒng)的阻尼與非線性，更為準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)量也更低，大大降低了仿真分析的計(jì)算規(guī)模。同時(shí)混合模型中的仿真模型又可以用于產(chǎn)品改進(jìn)過程中的參數(shù)優(yōu)化。
 
Simcenter3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模，首先，需要讀入各部件試驗(yàn)測(cè)試或者有限元仿真的動(dòng)力學(xué)模型；然后，在圖形界面上交互式定義各部件之間的裝配點(diǎn)，裝配點(diǎn)可以通過剛性連接單元或者隨頻率變化的彈簧阻尼單元來模擬，從而將各部件模型裝配成系統(tǒng)級(jí)的NVH模型；最后，導(dǎo)入試驗(yàn)測(cè)試或者仿真分析得到的載荷，基于傳遞函數(shù)或者模態(tài)的子結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)，快速求解出系統(tǒng)級(jí)模型上的強(qiáng)迫振動(dòng)（噪聲）響應(yīng)。Simcenter3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模技術(shù)完美地將試驗(yàn)與仿真結(jié)合起來，根據(jù)實(shí)際工程需要任意組合，充分發(fā)揮試驗(yàn)（準(zhǔn)確快捷）和仿真（靈活方便）的優(yōu)勢(shì)并有效互補(bǔ)，極大提高系統(tǒng)級(jí)NVH仿真模型的實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)NVH仿真試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。
Simcenter3D 系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模一般流程，如下圖所示：
Simcenter3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模流程
LMS Virtual.Lab與Simcenter 3D混合建模功能技術(shù)對(duì)比
相較于上一代產(chǎn)品LMS Virtual.Lab中的混合建模技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)模態(tài)&模態(tài)、傳函&傳函之間的混合建模，Simcenter 3D中的混合建模技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)“試驗(yàn)?zāi)B(tài)、仿真模態(tài)、試驗(yàn)傳函、仿真?zhèn)骱?rdquo;任意組合的混合建模，工程適應(yīng)性進(jìn)一步增強(qiáng)。
 
 
Simcenter 3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模流程
3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)
Simcenter 3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾點(diǎn)：
  1）降低建模難度
對(duì)于某些部件，建立其有限元模型很困難，而試驗(yàn)手段取得該部件模態(tài)、傳遞函數(shù)等動(dòng)態(tài)特性則很容易，這種情況下可以使用Simcenter 3D的混合建模技術(shù)，從而大幅降低NVH的建模難度。
2）改善仿真精度
由于Simcenter3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模過程中，有限元建模困難或者精確參數(shù)獲取困難的部件利用試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)來代替，因此極大改善了復(fù)雜模型的NVH仿真精度。
3）提高仿真效率
Simcenter 3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模過程中，復(fù)雜模型、大尺寸模型采用試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)來代替，相較于全尺寸有限元仿真模型，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的自由度極大降低，因此極大提高了系統(tǒng)級(jí)NVH模型的仿真效率。
4）提升仿真深度
Simcenter 3D 系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模技術(shù)，使的整車、整機(jī)等系統(tǒng)級(jí)NVH分析及優(yōu)化成為可能，提升了系統(tǒng)級(jí)NVH模型的總體仿真深度。
仿真精度與仿真效率對(duì)比：
下面以某整車內(nèi)場(chǎng)聲學(xué)仿真為例，對(duì)全有限元建模與混合建模兩種建模方法的仿真精度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用兩種方法得到仿真結(jié)果完全一致，驗(yàn)證了混合建模的仿真精度。
混合建模方法的仿真時(shí)間較全有限元模型的仿真時(shí)間減少了80%以上，說明混合建模方法可以極大提升仿真效率。
整車NVH仿真模型  
不同方法仿真精度對(duì)比
不同方法仿真效率對(duì)比
4 主要工程應(yīng)用
1）新車型整車NVH開發(fā)
隨著工業(yè)技術(shù)的逐漸成熟，各行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，從而導(dǎo)致目前產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非常快。以汽車行業(yè)為例，各主機(jī)廠每年都要對(duì)其旗下車型進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，或更新?lián)Q代，或中期改款，但為了延續(xù)車型的風(fēng)格，通常汽車的外形、車身結(jié)構(gòu)不會(huì)有大的變化，主要優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)及底盤系統(tǒng)。
因此，Simcenter3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模技術(shù)特別適用于新車型早期的整車NVH開發(fā)，在新車型樣車出現(xiàn)之前，可以利用如下思路進(jìn)行整車NVH建模。
①對(duì)于不需要改進(jìn)的白車身結(jié)構(gòu)，可以利用上一代產(chǎn)品的NVH試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)；
②對(duì)于需要改進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等子系統(tǒng)，可以使用新設(shè)計(jì)方案的有限元模型；
③利用Simcenter 3D的混合建模技術(shù)，將試驗(yàn)仿真模型裝配成整車系統(tǒng)級(jí)NVH模型，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段快速、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)新車型的NVH性能。
新車型整車NVH開發(fā)建模流程
2）整車路噪仿真
路噪是汽車高速行駛過程中的一個(gè)主要噪聲源，越來越多的受到各汽車主機(jī)廠以及輪胎等零部件供應(yīng)商的關(guān)注。對(duì)于整車路噪仿真，涉及輪胎及內(nèi)飾車身精確仿真建模困難、整車有限元模型計(jì)算量大等問題,導(dǎo)致整車路噪仿真不易實(shí)現(xiàn)。
Simcenter 3D整車路噪仿真建模流程
 
Simcenter3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模技術(shù)，可以完美的解決整車路噪仿真過程中所面臨的建模困難及計(jì)算量大的問題。在Simcenter3D整車路噪仿真建模過程中，輪胎、內(nèi)飾車身等部件可以采用真實(shí)的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)來代替；需要詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的副車架/轉(zhuǎn)向架、懸置等系統(tǒng)，可以分別采用有限元仿真模型與彈簧阻尼單元來模擬；路面載荷可以采用基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的載荷識(shí)別技術(shù)得到，最后利用Simcenter3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模技術(shù)預(yù)測(cè)整車的路噪水平，并對(duì)副車架及懸置參數(shù)進(jìn)行快速優(yōu)化。
 
5 典型客戶案例
 
泛亞汽車技術(shù)中心-基于混合建模技術(shù)進(jìn)行后橋優(yōu)化設(shè)計(jì)
 
泛亞汽車技術(shù)中心，利用Simcenter 3D中的混合建模技術(shù)，將后橋局部?jī)?yōu)化問題的整車分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，其中用傳遞函數(shù)代替整車內(nèi)飾車身的詳細(xì)有限元模型，底盤敏感部分用有限元模型描述，以此方式提升仿真優(yōu)化效率，此方法同樣適用于試驗(yàn)和CAE混合模型的建立及應(yīng)用。
混合建模分析過程
 
簡(jiǎn)化模型如下圖所示，按照實(shí)際連接關(guān)系將簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)與有限元模型進(jìn)行連接，混合建模與整車模型得到的分析結(jié)果匹配較好，115Hz峰值得到再現(xiàn)，計(jì)算時(shí)間只花費(fèi)2分鐘，以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化工作，大大提升了優(yōu)化效率。
           建立簡(jiǎn)化模型            CAE初步分析結(jié)果
以簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)，分別得到了連接點(diǎn)襯套剛度優(yōu)化、扭梁增加吸振器、扭梁本身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等優(yōu)化效果，每一輪分析均在5分鐘以內(nèi)可完成，大大減少了尋找方向的時(shí)間，如下圖所示。
三種優(yōu)化分析方向
最終優(yōu)化效果
 
基于混合建模技術(shù)進(jìn)行快速優(yōu)化，使得多種方案的驗(yàn)證成為可能，通過多輪優(yōu)化后，最終對(duì)后扭梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)修改。在整車模型中對(duì)最終方案進(jìn)行了一輪仿真驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新方案不僅使得路噪結(jié)果在關(guān)心頻率降低了3dB，同時(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得后懸架重量也降低2.5Kg，達(dá)到了CAE指導(dǎo)設(shè)計(jì)的目的。
 
在項(xiàng)目開發(fā)過程中，混合建模技術(shù)可以充分利用現(xiàn)有的仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整車NVH快速分析及優(yōu)化，預(yù)防、解決車型本身存在的問題，節(jié)省開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期、提高整車NVH性能。
 
6 總結(jié)
Simcenter3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模技術(shù)將西門子數(shù)字工業(yè)軟件多年成熟的工程測(cè)試技術(shù)與CAE仿真技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮了實(shí)物試驗(yàn)和虛擬仿真各自的優(yōu)勢(shì)，不僅使得仿真速度更快，而且使得仿真結(jié)果更加精確可靠。
Simcenter3D系統(tǒng)級(jí)NVH和混合建模技術(shù)的投資回報(bào)，不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品更快地投放市場(chǎng)和節(jié)約開發(fā)費(fèi)用等方面，而且體現(xiàn)在改進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量，提出了新的產(chǎn)品開發(fā)模式。
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