前言   

試驗和仿真結(jié)合的方法進行汽車NVH性能預(yù)測

汽車行業(yè)正在經(jīng)歷著里新一輪的變革，造車新勢力來勢洶洶，傳統(tǒng)車企紛紛加速向新能源車市場轉(zhuǎn)型，新車推出的時間越來越短，性能開發(fā)工程師的壓力也越來越大。NVH性能開發(fā)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)有了相對成熟的研發(fā)流程，很多研發(fā)工作已經(jīng)提前到樣車可用之前，比如：對標分析、目標設(shè)定與分解、數(shù)據(jù)檢查、有限元分析等等。本文介紹的虛擬樣機裝配技術(shù)，可使得NVH研發(fā)工作進一步提前, 在樣車出來之前，即可解決大部分的NVH問題。有效提高NVH團隊的工作效率，縮短車型的開發(fā)周期。

本文首先介紹虛擬樣機裝配的基本原理及步驟，然后提供三個案例，展示通過試驗和仿真相結(jié)合的方法進行汽車NVH性能預(yù)測的廣闊應(yīng)用前景。

01

虛擬樣機裝配基本原理及步驟

虛擬樣機裝配（VPA = Virtual Prototype Assembly）是基于傳遞路徑分析的“源-路徑-響應(yīng)”模型，通過試驗或者仿真的手段將“源”和“路徑”模塊化，模塊化的數(shù)據(jù)分別代表這些零部件各自的獨立特征，并且可以靈活地虛擬組裝在一起，從而進行NVH性能預(yù)測。

以電動車為例，跟NVH相關(guān)的零部件或子系統(tǒng)有：電驅(qū)總成、懸置、雨刮電機、懸架、壓縮機、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身等。主機廠NVH工程師或零部件供應(yīng)商可以通過統(tǒng)一的方法對特定的零部件進行測試或分析，以表征其NVH特性，并通過零部件庫共享這些數(shù)據(jù)信息。有了零部件庫之后，NVH工程師可以很容易地組裝一臺虛擬的車輛，預(yù)測其NVH特性并對結(jié)果進行進一步的分析。

【這里要補充一點，傳統(tǒng)TPA獲得的激勵源結(jié)構(gòu)載荷與激勵源的安裝結(jié)構(gòu)相關(guān)，不能單獨表征激勵源的結(jié)構(gòu)載荷特性。而通過“基于部件TPA” 技術(shù)獲得的載荷是獨立于安裝結(jié)構(gòu)的不變載荷（Blocked force），可以用于虛擬樣機裝配?！?/span>

虛擬樣車裝配技術(shù)的應(yīng)用分為三個步驟：NVH部件定義、虛擬樣機裝配、預(yù)測及分析。

1、NVH部件定義

Simcenter Testlab VPA Definition模塊用于創(chuàng)建和定義部件模型、載荷及試驗工況，數(shù)據(jù)以圖形化形式被定義和存儲在數(shù)據(jù)庫中，部件和部件變體模型可以很方便的重復(fù)使用，這樣工程師就可以很輕松地調(diào)用存儲在部件庫中的數(shù)據(jù)進行NVH性能預(yù)測。

目前可支持的部件類型主要包含以下幾類：激勵源，通過Blocked force（剛性約束力）表示，如動力總成、車輪、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、雨刮電機、壓縮機等；連接元件，通過動剛度表示，如懸置、襯套等；載體結(jié)構(gòu)，通過傳函表示，如車身等。測試場景主要包含裝配體可運行的工況數(shù)據(jù)，可以是時域數(shù)據(jù)或者是數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)，可以通過實測獲得也可以通過編輯獲得。

試驗和仿真工程師、主機廠和零部件供應(yīng)商都可以參與到該項工作中，零部件模型可以在Simcenter Testlab、Simcenter 3D、Simcenter Amesim甚至第三方工具中編寫。

3、虛擬養(yǎng)車

2、虛擬樣機裝配（VPA)

Simcenter Testlab Virtual Prototype Assembly虛擬樣機裝配模塊能夠創(chuàng)建不同配置的虛擬樣車，并以一種簡單和直觀的方式比較其性能。裝配體中的部件可以在現(xiàn)有部件數(shù)據(jù)庫中快速查找和替換，新的裝配體可以被保存下來，這樣一來可以很輕松地進行不同裝配形式的NVH性能對比分析。

虛擬裝配體定義完成之后，求解器將被啟動，它將收集部件的數(shù)據(jù)，按照部件定義環(huán)節(jié)定義的測試場景將我們關(guān)心的轉(zhuǎn)速或者車速條件下的結(jié)果計算出來。以下是VPA軟件界面。

Simcenter Testlab VPA軟件界面

3、NVH性能預(yù)測及分析

完成前面兩個步驟之后，虛擬裝配體的預(yù)測結(jié)果也隨之計算出來，如車內(nèi)目標點的聲音或者座椅導(dǎo)軌的振動等。我們可以對此結(jié)果進行詳細而深入的分析，包括和設(shè)計目標值的對比、與競品車對比、傳遞路徑分析等。如果發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果中存在NVH問題，可以進一步進行詳細的根源分析，查找是源還是某（些）條路徑引起的該問題。并可以對零部件的數(shù)據(jù)進行修改，然后將修改后的數(shù)據(jù)替換原裝配體中的數(shù)據(jù)，再次進行預(yù)測，對比兩次預(yù)測的結(jié)果，這個過程可以為設(shè)計變更提供有效的指導(dǎo)。

試驗和仿真相結(jié)合的模式，使得該方法具有極大的靈活性，該方法可以在車輛開發(fā)的任何階段使用，這取決于我們有哪些數(shù)據(jù)。接下來結(jié)合幾個實際案例，展示該方法廣闊的應(yīng)用前景。

02

預(yù)測電動車車內(nèi)噪聲

下面幾個案例是將電動驅(qū)動單元（EDU）集成到車身，在軟件Simcenter Testlab VPA Assembler模塊中對其進行NVH性能預(yù)測。以下三種不同的場景層層遞進：

• 場景1：完全基于測試的方法，使用EDU、懸置、車身的測試數(shù)據(jù)。

  
  

• 場景2：試驗和仿真結(jié)合的方法，將測試得到的EDU載荷集成到不同車身上，車身數(shù)據(jù)通過CAE模型獲得。

  
  

• 場景3：完全基于CAE的方法，將通過仿真得到的EDU載荷集成到不同的車身上，車身數(shù)據(jù)通過CAE模型獲得。

場景1:  使用測試獲得的EDU載荷和車輛傳函進行預(yù)測

首先我們從建立NVH預(yù)測的流程開始，使用已有的零部件來驗證方法的可靠性。因此，我們將用純測試數(shù)據(jù)描述現(xiàn)有車輛的特征。

使用基于部件TPA的方法從試驗臺架的測量中提取EDU的不變載荷（結(jié)構(gòu)和聲學(xué)）。下一步是測量車輛“被動側(cè)”（即EDU以下的所有部件，如EDU懸置、副車架、車身等）不同層級上的動剛度或頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF），以描述從EDU載荷到車內(nèi)目標點的傳遞路徑。

虛擬樣機裝配技術(shù)中常用的數(shù)據(jù)

利用基于頻率的子結(jié)構(gòu)（FBS）技術(shù)將“被動側(cè)”的零部件組裝在一起。然后將從臺架試驗中提取的EDU載荷（結(jié)構(gòu)和聲學(xué)）添加到該裝配體，以預(yù)測車內(nèi)噪聲。

如下圖所示，合成的噪聲與測試結(jié)果匹配的較好。說明該方法是可靠的，并且模型的精度較好。

車內(nèi)噪聲比較，測試值 Vs 預(yù)測值

我們可以對預(yù)測結(jié)果做進一步的研究。例如，對于車內(nèi)聽到的某個噪音問題是純粹的聲學(xué)問題還是由EDU振動引起的結(jié)構(gòu)問題。為此，我們可以分別考察結(jié)構(gòu)和聲學(xué)路徑部分的貢獻，將整體噪聲分解為EDU結(jié)構(gòu)聲、EDU空氣聲、懸架結(jié)構(gòu)聲三個部分。從下圖可以看出，EDU聲學(xué)貢獻在整個頻率范圍內(nèi)都較大，一些特定的峰值是由EDU結(jié)構(gòu)載荷引起的，例如：2200 Hz，2700 Hz，3250 Hz。

車內(nèi)噪聲的結(jié)構(gòu)貢獻和聲學(xué)貢獻

場景2：試驗和仿真結(jié)合的方法，將測試得到的EDU載荷集成到不同車身上， 車身數(shù)據(jù)通過CAE模型獲得

在該場景中，我們考察不同的內(nèi)飾對車內(nèi)噪聲的影響。

首先在Simcenter 3D中構(gòu)建車輛的聲振模型，以計算從EDU到駕駛室的FRF。在這個例子中，我們考察防火墻對整車的影響，比較不帶防火墻和帶有防火墻對整車NVH的影響。

以下是模型的信息：

車輛聲振模型

以下是帶防火墻和不帶防火墻的聲學(xué)傳函比較，從圖中可以看出，防火墻主要影響600Hz以上的傳函。

從聲振模型中提取的聲傳函

然后，將前面通過測試提取的EDU載荷（聲學(xué)）耦合到這兩個不同配置的虛擬車輛上。如下面結(jié)果所示，防火墻可以有效降低車內(nèi)高頻（1kHz以上）噪聲，并且?guī)Х阑饓Φ姆治鼋Y(jié)果與實車的測試結(jié)果吻合的較好。

   車內(nèi)駕駛員左右耳位置的噪聲預(yù)測結(jié)果及實測值

場景3： 完全基于CAE的方法，將通過仿真得到的EDU載荷集成到不同的車身上，車身數(shù)據(jù)通過CAE模型獲得

通過Simcenter 3D，我們可以基于CAE方法對EDU電機進行載荷識別，總體思路是：將電流信號轉(zhuǎn)換為電磁載荷及電機近場的聲壓，進而轉(zhuǎn)換為聲載荷。

借助于Simcenter 3D，我么可以計算出電驅(qū)動的聲學(xué)輻射，并且可以與前面場景中的車輛配置相結(jié)合。

在CAE環(huán)境中，我們的仿真計算可以從電流到電磁負載，從近場聲壓到聲學(xué)載荷等等，可以通過仿真方便地評估任何我們想要的設(shè)計修改。

Simcenter 3D電磁和聲學(xué)仿真提取EDU聲載荷示意圖

在該場景中，我們將通過仿真獲取的電機聲載荷耦合到場景2中的兩種不同配置的車身上，考察車內(nèi)8階噪聲的表現(xiàn)，如下圖示。

車內(nèi)駕駛員左右耳位置的8階噪聲預(yù)測結(jié)果及實測值

在車輛開發(fā)的早期，該方法可以非常方便的評估EDU的設(shè)計變更對整車NVH性能的潛在影響，通過仿真的手段獲取變更后的EDU載荷，并將其耦合到CAE車身上，即可考察設(shè)計變更對車內(nèi)噪聲的影響。

03

結(jié)語

通過以上幾個案例，相信大家已經(jīng)領(lǐng)略到虛擬樣機裝配技術(shù)的強大。無論是測量數(shù)據(jù)還是仿真數(shù)據(jù)，都可用于汽車整車級NVH性能預(yù)測，這種靈活性可以促進測試團隊和仿真團隊、OEM和零部件供應(yīng)商之間的合作，將NVH開發(fā)工作大大提前，在樣車出來之前，即可解決大部分的NVH問題。有效的提高NVH團隊的工作效率，縮短車型的開發(fā)周期。

更進一步，如果有一種技術(shù)/裝置，能夠?qū)νㄟ^虛擬樣機裝配（VPA）技術(shù)預(yù)測得到的NVH客觀結(jié)果，進行主觀評價，那就更加完美了。