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前言

NVH是噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）的縮寫。是衡量汽車電機制造質量的一個綜合性問題，它給汽車用戶的感受是最直接的。車輛的NVH問題是國際汽車業各大整車制造和零部件關注的問題之一。統計資料顯示，整車約有1/3的故障問題是和NVH有關系，而更有近20%的研發費用消耗是在解決車輛的NVH問題。

涉及多物理領域的問題，我們可通過ANSYS多物理場解決方案進行；包含電磁力分析(ANSYS Maxwell)、多體動力結構分析(ANSYS Motion)、聲學分析(ANSYS Mechanical/VRxperience Sound)等來實現。

電機NVH設計技術挑戰包含：

• 電機噪聲形成基理的多樣性

• 噪聲傳播路徑的復雜性

- 本體聲音輻射

- 系統結構傳導

• 小型化、大轉矩、低噪聲的設計矛盾

• 仿真精度的更高要求/制造質量的不均勻性

ANSYS NVH仿真關鍵技術：

• 集成式解決方案 [真正多物理場耦合仿真、跨學科優化平臺]

- 電磁、震動、聲學、優化

- 多學科模型間數據無縫傳遞

- 基于降級模型ROM的高速優化

• 行業頂尖求解工具 [精確且穩健的電磁、結構、聲學求解器]

• 行業頂尖結構動力學工具 [ANSYS Motion]

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Maxwell電磁激勵

Maxwell 將計算得到的電磁激勵力保存成 UNV文件，可導入到ANSYS Motion中對應的電機模型。簡要流程如下：

Maxwell 電機電磁力輸出

• 電機2D模型

• 電機極數: 8

• 軸向深度 : 40mm

計算不同轉速下的電磁激勵力

UNV電磁激勵力文件輸出設置

• 打開“Enable Harmonic Force Calculation” 對話框

• 在“General”Tab中選需要輸出的部件，電機動力學仿真中需要轉子和定子的電磁力

• 選擇輸出文件位置

• “All steps” 選擇所有分析步

Maxwell 電機電磁力輸出

• Maxwell 輸出如下兩類文件（設定轉速下）：

- maxwellunvforce2D.unv (Force)

- maxwellunvmesh2D.unv (Geometry)

• Ansys Motion電機動力總成的基于電磁激勵力的瞬態動力學分析，需輸入不同轉速下的電磁激勵力，因此在Maxwell 中需計算輸出多個轉速下的電磁激勵力。將上述文件改名（ 如：Stator_1000rpm_F.unv, Stator_1000rpm_M.unv ）否則再次計算時該文件將被覆蓋。

Geometry UNV file

Force UNV file

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電機動力總成建模

電機通過軸與齒輪箱相連接，電機激勵力施加到電機轉子和定子，以驅動齒輪轉動，在齒輪箱動力輸出軸施加相應反扭矩。

電機動力總成

齒輪箱側

電機側

ANSYS Motion快速模塊

齒輪模型Gear Model

• 支持2D設計工具用于簡單生產，同時支持3D建模便于系統裝配

• 基于有限元模型，抽取齒剛度

• 提取任意載荷步的輸出結果

軸承模型

• 為兩個軌道之間建立快速而穩定的剛度模型

• 在分析過程中剛度可以基于載荷變化

• 軸承庫包含主要軸承制造商（ NSK, SKF, KOYO, FAG ）

 

軸模型

• 多種截面類型 （圓形和圓環形、錐形和錐環形）

• 部件分析獲得剛度特性

• 基于裝配方法的尺寸定義（齒輪、軸承）

 

齒輪箱模型

• 通過簡單的方式裝配所有零部件到箱體上，并帶有剛度和間隙

• 直接利用有限元網格模型進行裝配

• 方便設定每一階模態阻尼

• 可用MeshFree方式直接對CAD 模型進行柔性化處理

 

Ansys Motion 施加電磁力

• Ansys Motion 功能按鈕實現Motor EM Force的施加。

電機電磁力設置界面，通過讀入UNV檔在Motion中產生電磁力模型

1. Input depth of stator and rotor. (40)

2. Input layer of Motor EM Force. (5)

3. Set UNV file of the stator for the geometry.(Stator_M.unv)

4. Set UNV file of the rotor for the geometry.(Rotor_M.unv)

5. Set UNV file of the stator for the force.

   Stator_1000rpm_F.unv

   Stator_2000rpm_F.unv

   Stator_3000rpm_F.unv

   Stator_4000rpm_F.unv

   Stator_5000rpm_F.unv

6. Set UNV file of the rotor for the force.

   Rotor_1000rpm_F.unv

   Rotor_2000rpm_F.unv

   Rotor_3000rpm_F.unv

   Rotor_4000rpm_F.unv

   Rotor_5000rpm_F.unv

7. Input rpm.

8. Preview. (See the next page.

Ansys Motion 后處理-齒輪嚙合

• 分析得到動力學結果(速度，加速度)

• 獲取時間域的結果

利用短時傅里葉變換（FFT）獲取瀑布圖（Color Map）

Ansys Motion 后處理-聲學計算

• Ansys Motion / Postprocessor可基于“ Rayleigh積分”來分析系統表面振動產生的聲壓，該條件假設沿物體法線方向移動且其表面的壓縮和變形來自于物體運動速度。該方法忽略了反射聲以及聲固相互作用。

• 該方法對于中頻（100?10k）效果較好，整體模式與聲學消聲室（或半消聲室）的結果非常相似。

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VRX Sound提供聲音的全面解析

Ansys VRXPERIENCE Sound是一個后處理工具，可以根據聲音質量指標和聽力感知測試對聲音進行分析和優化。還可以在模擬器和車內再現3D聲音，提供沉浸式的聲音體驗。通過Maxwell電磁力進入Motion做震動分析產生的噪聲，可由VRX還原出實際感受的聲音體驗。

文章來源：莎益博CAE仿真