在汽車行業(yè)，對于中高頻的NVH（振動噪聲）問題，我們經(jīng)常使用SEA（統(tǒng)計(jì)能量法）來進(jìn)行仿真分析。一般來說，當(dāng)我們采用經(jīng)典SEA的仿真方法時(shí)，最后給出的噪聲曲線通常是1/3倍頻程的形式。但近年來隨著行業(yè)對中頻NVH問題的關(guān)注越來越多、越來越細(xì)，中頻NVH問題窄帶譜顯示的需求也與日俱增。

為了解決這個(gè)問題，西門子工程咨詢團(tuán)隊(duì)依托于SEA+軟件不斷探索，并與國外多個(gè)主機(jī)廠合作實(shí)踐，最終成功實(shí)踐出一條基于VSEA法的中頻窄帶譜仿真技術(shù)路線，詳見下圖。

目前，統(tǒng)計(jì)能量法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，從保守耦合、弱耦合逐漸向非保守耦合、強(qiáng)耦合突破拓展，采用的理論和方法工具也逐漸豐富，當(dāng)前在工程實(shí)踐中，主要有ASEA、ESEA和VSEA三種，這里重點(diǎn)介紹一下西門子采用的VSEA（虛擬SEA）方法。

在研發(fā)前期，由于沒有物理樣機(jī)，ESEA無法介入，這時(shí)為了提高ASEA的分析精度，我們一般會基于有限元模型來獲取仿真模型中的各種參數(shù)。比如，我們可以基于有限元分析結(jié)果來進(jìn)行子系統(tǒng)的劃分、來獲取系統(tǒng)傳遞能量矩陣，通過各子系統(tǒng)間的傳遞能量矩陣識別損耗矩陣，從而建立系統(tǒng)的SEA模型等等。

VSEA方法作為特定求解器在SEA+軟件中實(shí)施，可減少FE模型的動態(tài)信息內(nèi)容。求解器的輸入是有限元結(jié)構(gòu)模型結(jié)果，依靠NX NASTRAN提取在映射結(jié)構(gòu)的一組有限參考節(jié)點(diǎn)（通常為1000到2000個(gè)節(jié)點(diǎn)）處導(dǎo)出的模態(tài)振幅，還支持像ABAQUS這樣的備用FE 求解器。

接著，我們便可以基于模態(tài)結(jié)果進(jìn)行傳函計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行子系統(tǒng)的自動劃分，并可向高頻解析統(tǒng)計(jì)能量法延拓，從而保證模型在不同分析頻率段的適用性，也減少了對工程師經(jīng)驗(yàn)的過分依賴。

目前，在我們實(shí)際做項(xiàng)目時(shí)，從FE到VSEA的轉(zhuǎn)換已逐步自動化，最短可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)交付VSEA模型。

與其他SEA軟件采用經(jīng)典AESA方法不同的是，我們可以在VSEA中設(shè)置并輸出中頻NVH問題的窄帶譜噪聲曲線，從而解決客戶的中頻噪聲痛點(diǎn)。

其工作原理可簡單描述為：當(dāng)外力矢量包含大量尖峰諧波時(shí)，計(jì)算每個(gè) x、y 和 z 全局方向的窄帶注入功率，并在求解響應(yīng)估計(jì)之前在SEA 頻帶上對其進(jìn)行積分。

3.1

案例1：帶安裝設(shè)備的夾芯板

支撐板 (1x1 m2) 是一個(gè)典型的航天器夾層結(jié)構(gòu)，由兩層 1 毫米厚的鋁皮制成，由蜂窩鋁芯保持 10 毫米的距離。

盒式設(shè)備通過四個(gè)連接點(diǎn)安裝在板上，設(shè)備底板為與實(shí)體元素嚙合，所有其他系統(tǒng)部件網(wǎng)格化。為了從有限元中識別 VSEA 參數(shù)，提取了高達(dá)2500Hz的有限元模型的113個(gè)實(shí)模。模態(tài)振幅如下圖（左）所示，在746個(gè)參考節(jié)點(diǎn)處導(dǎo)出。為了進(jìn)一步比較，在將模型直觀劃分為子系統(tǒng)之后，從頭開始構(gòu)建ASEA 模型，如下圖（右）所示。

在設(shè)備頂部面板上施加點(diǎn)力，如下圖，計(jì)算出子系統(tǒng)的1/3倍頻程平均加速度，并對經(jīng)典ASEA和來自VSEA的響應(yīng)進(jìn)行了比較。正如預(yù)期的那樣，兩種模型在2500Hz以上給出了相同的結(jié)果。在500Hz以下，系統(tǒng)表現(xiàn)為雙子系統(tǒng)模型（完整設(shè)備和支持面板作為兩個(gè)弱耦合子系統(tǒng)）。另外，VSEA相關(guān)的 PSD 加速度低于ASEA模型提供的預(yù)測加速度。這是因?yàn)椋涸贏SEA中組件在整個(gè)頻帶上總是弱耦合，而VSEA 模型總是遵循有限元行為，即當(dāng)頻率增加時(shí)，設(shè)備的各個(gè)部分逐漸解耦。

接下來，我們設(shè)置并輸出20Hz窄帶譜的響應(yīng)，并和1/3倍頻程的結(jié)果做比較，見下圖。從圖中可以看出，在窄帶中使用VSEA比在1/3倍頻程中能捕獲更多的結(jié)構(gòu)動態(tài)特征。

其中，窄帶譜和1/3倍頻程的injected power區(qū)別如下：

3.2

案例2：整車的中頻結(jié)構(gòu)聲

在Peugeot208汽車項(xiàng)目中，我們使用了SEA+建模，從車身的FEM開始，通過子結(jié)構(gòu)自動轉(zhuǎn)換為VSEA 模型，并添加內(nèi)飾聲腔等拓展模型，詳見下圖。該模型需覆蓋中頻范圍，當(dāng)?shù)陀?/span>1200Hz時(shí),動態(tài)特性由VSEA參數(shù)完全描述，如模態(tài)密度、波數(shù)、質(zhì)量、電導(dǎo)和 CLF等。從1200Hz及更高頻率開始，通過主要拓?fù)涠x子系統(tǒng)類型，使用解析SEA+計(jì)算模型參數(shù)，包括板、單或雙曲殼、帶或不帶肋分布等，以便更好地評估動態(tài)剛度與頻率的關(guān)系。

我們一般將裸白車身的阻尼評估為FE-FRF 模態(tài)合成中使用的平均值。聲學(xué)飾件與BIW 的相互作用也在SEA+模型中進(jìn)行了模擬，這可能會影響阻尼的值。所有預(yù)測計(jì)算均在10Hz窄帶譜帶寬（同合成FE-FRF的分辨率）中完成，用于驗(yàn)證在0-800Hz范圍內(nèi)再現(xiàn)振動聲學(xué)響應(yīng)詳細(xì)頻譜的能力。

下圖顯示了根據(jù)SEA模型預(yù)測的乘客耳朵處的聲壓級（綠色曲線），力沿 X 方向（車輛方向）施加在樞軸橫梁上，將該壓力水平與測量壓力（紅色曲線）以及主機(jī)廠的不確定性界限（藍(lán)色曲線）進(jìn)行比較。觀察可知，VSEA預(yù)測基本遵循測量曲線，在400Hz附近觀察到大約5dB的最大偏差，但仍處于界限內(nèi)。

總結(jié)

綜上所述，在中高頻NVH問題中，我們可以基于有限元模型的模態(tài)結(jié)果，使用VSEA技術(shù)快速自動劃分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，無需ESEA的物理樣機(jī)，同時(shí)彌補(bǔ)了ASEA精度不足的問題。并且，除了可以計(jì)算一般的1/3倍頻程結(jié)果外，我們還可以設(shè)置并輸出窄帶譜的響應(yīng)結(jié)果，助力客戶深入探索并解決中頻NVH問題。