1 前言

數值仿真和物理試驗是目前產品NVH設計的兩大技術手段。物理試驗的特點是試驗技術比較直觀、結果比較確定，但缺點是必須在具備實際物理樣機的條件下才能進行，而且一般成本高、周期長；而數值仿真技術優勢在于效率高、成本低、能夠得到試驗方法無法獲得的信息，可以在設計前期不具備物理樣機的情況下即開始應用，并有效的指導設計。

NVH行業內流行一句調侃，“沒有試驗支撐的仿真屬于仿假”。因為很多情況下仿真模型存在一些不確定因素，需要與物理試驗結合以提高數值仿真分析的精度。

針對產品NVH設計過程中試驗與仿真手段所面臨的問題，西門子數字工業軟件作為世界唯一一家同時具備NVH試驗測試硬件與NVH仿真軟件的供應商，獨創性的將物理試驗和仿真分析兩種方法集成起來，開創性的提出了系統級NVH和混合建模技術，該技術可以充分發揮試驗測試技術與仿真分析技術各自的優勢，共同指導產品NVH設計，真正實現“試驗-仿真兩條腿走路”。

2 Simcenter3D 系統級NVH和混合建模技術

系統級NVH和混合建模是Simcenter3D最為獨特的功能之一，所謂混合是試驗與仿真的混合，即子系統既可以通過試驗模型來描述也可以通過仿真模型來描述。

混合建模充分利用了試驗測試的快捷準確與仿真建模的靈活方便。對于無法獲取CAD或CAE模型的子系統，可以用試驗模型代替，既不影響系統分析又保護了技術秘密。

試驗模型描述的子系統，充分考慮了系統的阻尼與非線性，更為準確，數據量也更低，大大降低了仿真分析的計算規模。同時混合模型中的仿真模型又可以用于產品改進過程中的參數優化。

Simcenter3D系統級NVH和混合建模，首先，需要讀入各部件試驗測試或者有限元仿真的動力學模型；然后，在圖形界面上交互式定義各部件之間的裝配點，裝配點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級的NVH模型；最后，導入試驗測試或者仿真分析得到的載荷，基于傳遞函數或者模態的子結構綜合技術，快速求解出系統級模型上的強迫振動（噪聲）響應。

Simcenter3D系統級NVH和混合建模技術完美地將試驗與仿真結合起來，根據實際工程需要任意組合，充分發揮試驗（準確快捷）和仿真（靈活方便）的優勢并有效互補，極大提高系統級NVH仿真模型的實用性，實現NVH仿真試驗有機結合。

Simcenter3D 系統級NVH和混合建模一般流程，如下圖所示：

Simcenter3D系統級NVH和混合建模流程

LMS Virtual.Lab與Simcenter 3D混合建模功能技術對比

相較于上一代產品LMS Virtual.Lab中的混合建模技術只能實現模態&模態、傳函&傳函之間的混合建模，Simcenter 3D中的混合建模技術進一步增強，可以實現“試驗模態、仿真模態、試驗傳函、仿真傳函”任意組合的混合建模，工程適應性進一步增強。

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Simcenter 3D系統級NVH和混合建模流程

3 技術優勢

Simcenter 3D系統級NVH和混合建模技術優勢主要包括以下幾點：

1）降低建模難度

對于某些部件，建立其有限元模型很困難，而試驗手段取得該部件模態、傳遞函數等動態特性則很容易，這種情況下可以使用Simcenter 3D的混合建模技術，從而大幅降低NVH的建模難度。

2）改善仿真精度

由于Simcenter3D系統級NVH和混合建模過程中，有限元建模困難或者精確參數獲取困難的部件利用試驗測試數據來代替，因此極大改善了復雜模型的NVH仿真精度。

3）提高仿真效率

Simcenter 3D系統級NVH和混合建模過程中，復雜模型、大尺寸模型采用試驗測試數據來代替，相較于全尺寸有限元仿真模型，試驗測試數據的自由度極大降低，因此極大提高了系統級NVH模型的仿真效率。

4）提升仿真深度

Simcenter 3D 系統級NVH和混合建模技術，使整車、整機等系統級NVH分析及優化成為可能，提升了系統級NVH模型的總體仿真深度。

仿真精度與仿真效率對比：

某整車內場聲學仿真為例，對全有限元建模與混合建模兩種建模方法的仿真精度進行對比，發現采用兩種方法得到仿真結果完全一致，驗證了混合建模的仿真精度。

混合建模方法的仿真時間較全有限元模型的仿真時間減少了80%以上，說明混合建模方法可以極大提升仿真效率。

4 主要工程應用

1）新車型整車NVH開發

隨著工業技術的逐漸成熟，各行業市場競爭日趨激烈，從而導致目前產品更新換代速度非常快。以汽車行業為例，各主機廠每年都要對其旗下車型進行改進設計，或更新換代，或中期改款，但為了延續車型的風格，通常汽車的外形、車身結構不會有大的變化，主要優化動力系統及底盤系統。

因此，Simcenter3D系統級NVH和混合建模技術特別適用于新車型早期的整車NVH開發，在新車型樣車出現之前，可以利用如下思路進行整車NVH建模。

①對于不需要改進的白車身結構，可以利用上一代產品的NVH試驗測試數據；

②對于需要改進的動力系統、底盤系統、轉向系統等子系統，可以使用新設計方案的有限元模型；

③利用Simcenter 3D的混合建模技術，將試驗仿真模型裝配成整車系統級NVH模型，從而實現設計階段快速、準確預測新車型的NVH性能。

新車型整車NVH開發建模流程

2）整車路噪仿真

路噪是汽車高速行駛過程中的一個主要噪聲源，越來越多的受到各汽車主機廠以及輪胎等零部件供應商的關注。對于整車路噪仿真，涉及輪胎及內飾車身精確仿真建模困難、整車有限元模型計算量大等問題,導致整車路噪仿真不易實現。

Simcenter 3D整車路噪仿真建模流程

Simcenter3D系統級NVH和混合建模技術，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算量大的問題。在Simcenter3D整車路噪仿真建模過程中，輪胎、內飾車身等部件可以采用真實的試驗測試數據來代替；需要詳細優化設計的副車架/轉向架、懸置等系統，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數據的載荷識別技術得到，最后利用Simcenter3D系統級NVH和混合建模技術預測整車的路噪水平，并對副車架及懸置參數進行快速優化。

5 典型客戶案例

泛亞汽車技術中心-基于混合建模技術進行后橋優化設計

泛亞汽車技術中心，利用Simcenter 3D中的混合建模技術，將后橋局部優化問題的整車分析模型進行簡化，其中用傳遞函數代替整車內飾車身的詳細有限元模型，底盤敏感部分用有限元模型描述，以此方式提升仿真優化效率，此方法同樣適用于試驗和CAE混合模型的建立及應用。

簡化模型按照實際連接關系將簡化傳遞函數與有限元模型進行連接，混合建模與整車模型得到的分析結果匹配較好，115Hz峰值得到再現，計算時間只花費2分鐘，以此模型為基礎進行優化工作，大大提升了優化效率。

以簡化模型為基礎，分別得到了連接點襯套剛度優化、扭梁增加吸振器、扭梁本身結構優化等優化效果，每一輪分析均在5分鐘以內可完成，大大減少了尋找方向的時間。

基于混合建模技術進行快速優化，使得多種方案的驗證成為可能，通過多輪優化后，最終對后扭梁進行了結構修改。在整車模型中對最終方案進行了一輪仿真驗證，結果發現新方案不僅使得路噪結果在關心頻率降低了3dB，同時結構優化使得后懸架重量也降低2.5Kg，達到了CAE指導設計的目的。

在項目開發過程中，混合建模技術可以充分利用現有的仿真及試驗數據，實現整車NVH快速分析及優化，預防、解決車型本身存在的問題，節省開發成本、縮短開發周期、提高整車NVH性能。

6 總結

Simcenter3D系統級NVH和混合建模技術將西門子數字工業軟件多年成熟的工程測試技術與CAE仿真技術相結合，充分發揮了實物試驗和虛擬仿真各自的優勢，不僅使得仿真速度更快，而且使得仿真結果更加精確可靠。

Simcenter3D系統級NVH和混合建模技術的投資回報，不僅體現在產品更快地投放市場和節約開發費用等方面，而且體現在改進了產品質量，提出了新的產品開發模式。

下載地址：Simcenter 3D多體動力學及疲勞仿真應用