文章來(lái)自CAE技術(shù)聯(lián)盟

本文闡述了在轎車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如何應(yīng)用CAE分析技術(shù)提高整車(chē)的NVH性能，并運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)某轎車(chē)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于數(shù)模建立有限元模型后，用CDH/AMLS軟件結(jié)合NASTRAN軟件計(jì)算了車(chē)體及車(chē)室內(nèi)流體固有模態(tài)，運(yùn)用流固耦合技術(shù)獲得激勵(lì)下的車(chē)體振動(dòng)及車(chē)室內(nèi)聲學(xué)特性結(jié)果，用CDH/VAO軟件對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)不合理之處進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了滿(mǎn)足目標(biāo)要求的NVH性能。

相對(duì)于CAE在車(chē)身強(qiáng)度、剛度領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，NVH的CAE技術(shù)在中國(guó)起步比較晚，NVH的建模方法以及計(jì)算方法還處于摸索階段。但隨著計(jì)算機(jī)的能力及容量的越來(lái)越強(qiáng)大，軟件技術(shù)的成熟，計(jì)算結(jié)果的精度越來(lái)越高，計(jì)算方法越來(lái)越科學(xué)，CAE在汽車(chē)的NVH開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)當(dāng)中所發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。在汽車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的初期，就已經(jīng)開(kāi)始了NVH的各項(xiàng)規(guī)劃，甚至在樣車(chē)完成之前或設(shè)計(jì)圖紙完成之前，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有車(chē)型的對(duì)比，就可以預(yù)先得到新開(kāi)發(fā)車(chē)型的NVH性能指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)加以?xún)?yōu)化及完善。無(wú)論是從設(shè)計(jì)成本上，還是從開(kāi)發(fā)周期上考慮，都為車(chē)廠更快、更好地開(kāi)發(fā)出新一代車(chē)型來(lái)提供了強(qiáng)有力的保障。可以預(yù)測(cè)，NVH的CAE技術(shù)，在汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及改進(jìn)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，而其本身也會(huì)越來(lái)越成熟，成為人們進(jìn)行汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)所不可或缺的工具[1,3]。

對(duì)白車(chē)身進(jìn)行模態(tài)分析，求得結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。獲得車(chē)身的模態(tài)有試驗(yàn)和有限元計(jì)算兩種方法。而在樣車(chē)制造出來(lái)這前，有限元法是最常用的一種方法，根據(jù)目前成熟的軟件以及對(duì)材料物理特性知識(shí)的掌握，利用有限元法計(jì)算得到的車(chē)身模態(tài)值，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相比，可以控制5%的誤差范圍內(nèi)[1]。我們采用NASTRAN軟件配合CDH/AMLS軟件，后者可以在保證精度的前提下加速模態(tài)計(jì)算[2]。模態(tài)計(jì)算后結(jié)果評(píng)價(jià)的過(guò)程中，評(píng)價(jià)的目標(biāo)值來(lái)源于參考車(chē)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及CAE分析結(jié)果，開(kāi)發(fā)車(chē)級(jí)別以及競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型的相關(guān)數(shù)據(jù)，并與廠商協(xié)商后最終確定值。白車(chē)身有限元模型如圖1所示，固有頻率和對(duì)應(yīng)振型如表1所示，車(chē)身一階扭轉(zhuǎn)如圖2所示，車(chē)身一階彎曲如圖3所示。

車(chē)身的設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)傳遞噪聲十分重要。車(chē)身所受各種激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲的特性直接表明車(chē)身設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。好的車(chē)身支撐點(diǎn)的激勵(lì)敏感度低，即激勵(lì)力引起的振動(dòng)和噪聲的響應(yīng)值低[1]。研究整車(chē)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲最關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是在懸置處的減振效果，或激勵(lì)力傳遞的衰減量。

3.1 計(jì)算用模型

振動(dòng)分析所使用的模型是在白車(chē)身的基礎(chǔ)上，增加了車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、尾門(mén)、油箱、方向盤(pán)、內(nèi)飾件及集中質(zhì)量等模型。其中集中質(zhì)量用來(lái)模擬一些在建模過(guò)程中忽略的元件，如配線(xiàn)、電機(jī)、小的支架等，如下圖4所示。

3.2 激振力

引起整車(chē)振動(dòng)和噪聲的激勵(lì)力很多，分布在整車(chē)各處。其中尤其以發(fā)動(dòng)機(jī)和輪胎作為激振動(dòng)力源傳來(lái)的激振力為主。而激振力的大小又非常復(fù)雜，難以測(cè)定。為建立一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在CAE計(jì)算時(shí)，通常采用在相關(guān)位置輸入某特定大小的激振力作為載荷輸入，計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn)的響應(yīng)，以此來(lái)評(píng)價(jià)一部車(chē)的NVH特性。

3.3 評(píng)價(jià)點(diǎn)

響應(yīng)點(diǎn)共分三組，如表2所示：

表2三組評(píng)價(jià)點(diǎn)位置說(shuō)明

3.4 計(jì)算結(jié)果

車(chē)身鋼板在激振力作用下產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，其振動(dòng)加速度A與激振力F的比值定義為結(jié)構(gòu)板的導(dǎo)納響應(yīng)傳遞函數(shù)Y。此函數(shù)Y是頻率的函數(shù)，而且是復(fù)數(shù)，振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖5所示，其中縱軸單位：導(dǎo)納（（m/s2）/N）；橫軸單位：頻率（Hz）。

3.5 對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)

    車(chē)身的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率一定要與之相連的系統(tǒng)的模態(tài)頻率分開(kāi)，如排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)軸、懸架系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)等,否則兩個(gè)系統(tǒng)之間會(huì)發(fā)生共振，比如排氣系統(tǒng)的模態(tài)頻率就不能與車(chē)身模態(tài)頻率一樣。在車(chē)身設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的靈敏度非常重要。與車(chē)身相連接的系統(tǒng)要盡可能地安裝在車(chē)身靈敏度低的地方。車(chē)外各種激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲的特性直接表明車(chē)身設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

對(duì)于各個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn)的振動(dòng)特性的評(píng)價(jià)，一般是著眼于兩點(diǎn)。一點(diǎn)是整體的振動(dòng)加速度導(dǎo)納值不超過(guò)最大目標(biāo)設(shè)定值，此目標(biāo)根據(jù)參考車(chē)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及CAE分析結(jié)果，開(kāi)發(fā)車(chē)級(jí)別以及競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，另一點(diǎn)是導(dǎo)納函數(shù)曲線(xiàn)光滑，無(wú)明顯的峰值。

4.1 計(jì)算所用結(jié)構(gòu)和聲腔模型

聲固耦合模型，如圖6所示。

    車(chē)室內(nèi)的空氣處于一個(gè)相對(duì)密閉的空間，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)在低頻時(shí)具有很強(qiáng)的耦合性。密閉空腔內(nèi)的空氣，如果受到壓縮，就會(huì)產(chǎn)生體積變化，展現(xiàn)出很高的阻抗，與車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合作用。此時(shí)，不但聲場(chǎng)響應(yīng)的計(jì)算需要考慮車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)，車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)的計(jì)算也必須考慮聲腔模態(tài)。

    基于以上的原理，在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，在車(chē)身結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，加入了車(chē)室內(nèi)空氣的模型。利用流固耦合方法對(duì)車(chē)室內(nèi)噪聲傳遞靈敏度進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。流-固耦合分析法廣泛用于聲學(xué)和噪音控制領(lǐng)域中，如發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制、汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲控制和飛機(jī)客艙內(nèi)的聲場(chǎng)分布控制和研究等。分析過(guò)程中，利用直接法和模態(tài)法進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。根據(jù)車(chē)內(nèi)空間聲學(xué)模型和車(chē)身結(jié)構(gòu)模型求得車(chē)內(nèi)聲學(xué)模態(tài)頻率及其振型，以及車(chē)身結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率及其振型。利用這樣的模型，可以研究車(chē)身板件振動(dòng)對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)特性的影響、車(chē)身振動(dòng)模態(tài)對(duì)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)的模態(tài)靈敏度等。

 圖6      車(chē)內(nèi)噪聲分析所用有限元模型  

4.2 評(píng)價(jià)點(diǎn)

因?yàn)檎駝?dòng)和噪音主要是給駕駛者和乘客帶來(lái)不良感覺(jué)的物理現(xiàn)象，所以評(píng)價(jià)點(diǎn)選擇在人體容易感知的部位，如圖7所示。

4.3 載荷

    與車(chē)體怠速振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算相同，在某一特定位置輸入特定大小的激振力。

4.4 計(jì)算結(jié)果

各個(gè)響應(yīng)點(diǎn)的聲學(xué)靈敏度曲線(xiàn)如圖8所示。

4.5 對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)

對(duì)車(chē)室內(nèi)聲場(chǎng)響應(yīng)的評(píng)價(jià)如上圖中所示的Target線(xiàn)，該目標(biāo)曲線(xiàn)的設(shè)定原則同上。好的車(chē)身結(jié)構(gòu)其車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果應(yīng)居于該線(xiàn)之下，且曲線(xiàn)走勢(shì)平緩，沒(méi)有明顯的突出峰值。從上圖中可以看出，如紅色橢圓線(xiàn)圍起來(lái)處所示，在某特定的頻率下，車(chē)室內(nèi)音響評(píng)價(jià)點(diǎn)處的聲音級(jí)別超出基準(zhǔn)線(xiàn)。這說(shuō)明車(chē)身的設(shè)計(jì)有不合理之處，造成了車(chē)室內(nèi)音響感度超標(biāo)，必須要對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.6 對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

基于對(duì)車(chē)室內(nèi)音響特性的分析，找出對(duì)車(chē)室內(nèi)音響貢獻(xiàn)量最大的結(jié)構(gòu)位置。在此，我們使用了德國(guó)CDH公司開(kāi)發(fā)的一款噪聲分析及優(yōu)化軟件：CDH/VAO。

CDH/VAO是一款用于解決大型結(jié)構(gòu)動(dòng)學(xué)分析的交互式工程軟件。用戶(hù)可以借助此軟件快速地評(píng)估目標(biāo)設(shè)計(jì)值變化引起的結(jié)構(gòu)聲學(xué)響應(yīng)的變化，也可以自動(dòng)地預(yù)測(cè)出設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍，以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化[4]。此軟件利用模態(tài)修正矩陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而一個(gè)CAE軟件的計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的精度，主要決定于解法庫(kù)[5]，相比傳統(tǒng)的模態(tài)方法更為有效和省時(shí)。該軟件可以提供以下的分析，如圖9所示。

a 使用模態(tài)修正方法進(jìn)行快速的頻率響應(yīng)分析。

b 能量分析：復(fù)雜的應(yīng)變能和動(dòng)能分析，等效輻射能量分析。

c 聲學(xué)分析，板件貢獻(xiàn)量分析。

d 瞬態(tài)分析，直接的FFT分析，對(duì)非線(xiàn)性單元的支持。

4.6.1 車(chē)室內(nèi)鈑金件對(duì)室內(nèi)音響的貢獻(xiàn)量分析

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)音響靈敏度超過(guò)基準(zhǔn)線(xiàn)的位置有156Hz和180Hz兩處。針對(duì)這兩個(gè)頻率點(diǎn)，對(duì)車(chē)室內(nèi)鈑金件的貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析，如圖10、圖11所示。

圖11  位置2的音響感度分析結(jié)果

從以上的分析結(jié)果來(lái)看，在156Hz和180Hz附近，有兩處室內(nèi)聲壓的峰值。這和之前的計(jì)算結(jié)果很一致。上圖的分析結(jié)果結(jié)合總能量分析圖和各子結(jié)構(gòu)能量分析圖，可以得出結(jié)論，防火墻對(duì)車(chē)室內(nèi)的聲壓貢獻(xiàn)量最大。下圖12所示為模型總能量分析圖。

4.6.2 車(chē)身結(jié)構(gòu)的振型分析

從車(chē)室內(nèi)音響貢獻(xiàn)量的分析結(jié)果中得知，防火墻對(duì)車(chē)室內(nèi)的聲壓貢獻(xiàn)量最大，也就是說(shuō)，由于防火墻附近的共振造成了車(chē)室內(nèi)音響的最大峰值。當(dāng)目標(biāo)縮小到防火墻這個(gè)件上時(shí)，還需要進(jìn)一步分析，以找出在特定共振頻率下防火墻的振型，才能據(jù)此對(duì)防火墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在此，使用VAO進(jìn)行了車(chē)身在156Hz和180Hz時(shí)的振型分析，分別如圖13、圖14所示。

4.6.3 基于分析的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在上述的車(chē)身結(jié)構(gòu)振型圖中，紅色區(qū)域是振動(dòng)能量較大的地方，也就是說(shuō)，是該處的局部共振，造成了車(chē)室內(nèi)的音響峰值。需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以提高該處的剛度及固有頻率。采用CDH/VAO軟件的子結(jié)構(gòu)修改功能，即通過(guò)模態(tài)修正矩陣方法快速預(yù)測(cè)修改部位對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響，可以大大的節(jié)省計(jì)算時(shí)間成本。改進(jìn)措施如圖15所示。

    結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法就是在板件的共振區(qū)域處，合理增加加強(qiáng)筋，提高局部剛度，錯(cuò)開(kāi)共振頻率。

4.6.4 改進(jìn)效果

從圖16、圖17和圖18中可以看出，經(jīng)過(guò)車(chē)身的結(jié)構(gòu)更改后，評(píng)價(jià)點(diǎn)的音響感度值均已經(jīng)達(dá)到了基準(zhǔn)線(xiàn)以下，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。說(shuō)明對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的更改是有效的。改進(jìn)前后的部分響應(yīng)結(jié)果對(duì)比，如表3所示。

    本文著重從三方面闡述了CAE在轎車(chē)NVH設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及優(yōu)化中的應(yīng)用，即模態(tài)分析、振動(dòng)分析和車(chē)內(nèi)噪聲分析。CDH/AMLS軟件參與NASTRAN模態(tài)計(jì)算和響應(yīng)計(jì)算，在保證精度的前提下很大幅度地提高了計(jì)算的速度，CDH/VAO軟件在振動(dòng)分析和車(chē)內(nèi)噪聲優(yōu)化分析中起到了關(guān)鍵性的作用，便于快速地找出貢獻(xiàn)量最大、能量較集中的子結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的解法庫(kù)，使得工程師免于等待再次計(jì)算的漫長(zhǎng)過(guò)程。

對(duì)于車(chē)內(nèi)噪聲優(yōu)化，需要反復(fù)的推敲對(duì)比每個(gè)修改的效果，從而得出最合理的修改方。