擅長車身NVH性能優(yōu)化的案例
基于NVH性能的平臺車身優(yōu)化設(shè)計研究
【摘要】汽車NVH性能的高低是汽車舒適度的主要評判標準之一。汽車NVH工作又由CAE分析與實驗兩個部分組合，目前，國內(nèi)汽車企業(yè)對汽車NVH性能的提升以后期CAE優(yōu)化為主，存在工作重復、效率低、成本高等不足。文章提出了一種新的NVH性能優(yōu)化方法：將車身平臺化，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法對平臺共用件進行優(yōu)化，確定一部分合適各種車型的平臺共用件，在開發(fā)新車時調(diào)用此平臺，確保了一定的車身NVH性能。文章采用了該方法對某車身平臺進行了優(yōu)化分析，新車型調(diào)用該平臺后，車身NVH性能的優(yōu)化的工作量大幅度減少。
【關(guān)鍵詞】車身NVH；車身平臺化；優(yōu)化分析
引言
近年來，國內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展越發(fā)成熟，行業(yè)內(nèi)激烈的競爭與人民生活水平提高后對生活品質(zhì)的追求，促使車企對汽車乘坐的舒適度越來越重視。因此，對車身NVH性能的要求越要越高。NVH即N-Nosie噪聲、V-Vibration振動、H-Harshness聲振粗糙度，是一個評估汽車舒適度的標準。它不像其他汽車性能需要專業(yè)工程師用儀器做分析才能得到一個結(jié)果，它能直接反映給任何一位乘車人員。有研究表明，長期處于噪音環(huán)境下會對我們的心理有很大的不良影響，甚至影響人的聽力。這里的噪音不僅指人類可聽到的噪聲，它還包含一些低頻噪聲。除此之外，還有一些人體無法明確感受到的低頻震動，也會對車內(nèi)乘員造成不同的影響，如暈車、疲勞等。因此，車身NVH性能的優(yōu)化在今后的車身開發(fā)中會愈發(fā)重要。
由于具有國內(nèi)NVH技術(shù)還不成熟，在車身前期開發(fā)的時候不能把控NVH性能，只能在后期通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)提升車身固有的自然模態(tài)，防止聲固耦合模態(tài)與激勵頻率一致造成巨大噪聲。除此之外，還要對車身關(guān)鍵點的動剛度優(yōu)化分析、TB模型的模態(tài)優(yōu)化分析等進行提升。
展開 結(jié)構(gòu)優(yōu)化在車身剛度性能優(yōu)化中的應(yīng)用
車身是汽車行駛運動過程中的主要承載體。車身由大量的部件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復雜，工作條件也十分復雜。主要的工作載荷包括：驅(qū)動慣性力，制動慣性力，轉(zhuǎn)向慣性力，不平路面激勵力和動力結(jié)構(gòu)載荷等等。如果車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中剛度設(shè)計不足，則車身的振動頻率會引起結(jié)構(gòu)共振，進而引起結(jié)構(gòu)連接的強度失效（產(chǎn)生塑性變形），進而導致車門、窗框、背門框等變形過大。最終導致車門卡死、玻璃破碎、密封失效、漏氣漏水等問題。分析車身的剛度，改進車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高車體剛度是非常重要。
車身性能開發(fā)金字塔的最底層是消費者最易感知的性能，即操穩(wěn)性能，而操穩(wěn)性能直接相關(guān)的就是車身的整體剛度性能。（車身扭轉(zhuǎn)剛度、區(qū)域剛度是和車身操穩(wěn)性能相關(guān)的，因此車身扭轉(zhuǎn)剛度的性能目標應(yīng)該滿足操穩(wěn)性能要求，也應(yīng)該由操穩(wěn)性能需求來定義。）
通常更高的車身剛度性能對于操穩(wěn)、NVH、耐久性能是有益的，那是不是說為了提升上述相關(guān)性能可以過度提高剛度性能呢？當然不是，剛度性能提升是要滿足結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計原則，即通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來提升材料有效利用率，而不是靠粗暴地堆疊材料來提升剛度性能。在提升剛度性能時還要考慮輕量化要求，只有通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計才能夠在滿足剛度性能要求時，同時滿足動力經(jīng)濟性的要求。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化等方法在優(yōu)化車身性能中具有非常重要的作用。拓撲優(yōu)化可以合理優(yōu)化材料分布，識別車身結(jié)構(gòu)薄弱點。形狀優(yōu)化進一步優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)形狀提升材料效率。
以上包括本田、雷諾、沃爾沃、標志、尼桑、寶馬、雷克薩斯、斯柯達、歐寶等車型開發(fā)過程中拓撲優(yōu)化在結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化中的案例。
展開 轉(zhuǎn)載，CAE在汽車車身NVH設(shè)計及優(yōu)化中的應(yīng)用
文章來自CAE技術(shù)聯(lián)盟
本文闡述了在轎車開發(fā)過程中，如何應(yīng)用CAE分析技術(shù)提高整車的NVH性能，并運用CAE技術(shù)對某轎車進行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計。基于數(shù)模建立有限元模型后，用CDH/AMLS軟件結(jié)合NASTRAN軟件計算了車體及車室內(nèi)流體固有模態(tài)，運用流固耦合技術(shù)獲得激勵下的車體振動及車室內(nèi)聲學特性結(jié)果，用CDH/VAO軟件對車身結(jié)構(gòu)不合理之處進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了滿足目標要求的NVH性能。
相對于CAE在車身強度、剛度領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，NVH的CAE技術(shù)在中國起步比較晚，NVH的建模方法以及計算方法還處于摸索階段。但隨著計算機的能力及容量的越來越強大，軟件技術(shù)的成熟，計算結(jié)果的精度越來越高，計算方法越來越科學，CAE在汽車的NVH開發(fā)設(shè)計當中所發(fā)揮的作用也越來越大。在汽車開發(fā)設(shè)計的初期，就已經(jīng)開始了NVH的各項規(guī)劃，甚至在樣車完成之前或設(shè)計圖紙完成之前，通過對現(xiàn)有車型的對比，就可以預(yù)先得到新開發(fā)車型的NVH性能指標，并在此基礎(chǔ)上，對設(shè)計的各個環(huán)節(jié)加以優(yōu)化及完善。無論是從設(shè)計成本上，還是從開發(fā)周期上考慮，都為車廠更快、更好地開發(fā)出新一代車型來提供了強有力的保障。可以預(yù)測，NVH的CAE技術(shù)，在汽車設(shè)計開發(fā)及改進領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用會越來越廣泛，而其本身也會越來越成熟，成為人們進行汽車設(shè)計開發(fā)所不可或缺的工具[1,3]。
對白車身進行模態(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)的動態(tài)特性。獲得車身的模態(tài)有試驗和有限元計算兩種方法。而在樣車制造出來這前，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材料物理特性知識的掌握，利用有限元法計算得到的車身模態(tài)值，與試驗測試結(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)計算[2]。
展開 車用永磁同步電機NVH 性能的優(yōu)化
車用永磁同步電機NVH 性能的優(yōu)化
摘 要：從電機噪聲的分類、產(chǎn)生機理、優(yōu)化措施三方面分析了永磁同步電機的NVH 性能，希望能對電動汽車企業(yè)排查整改電機NVH 問題起到一定的指導作用
由于永磁同步電機（后文簡稱為“電機”）具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、功率因數(shù)高、起動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，目前已在電動汽車行業(yè)獲得最廣泛地應(yīng)用。故本文著重對永磁同步電機的NVH 性能優(yōu)化進行分析。
1 電機噪聲的分類
由于電動汽車沒有了發(fā)動機的掩蔽效應(yīng)，電驅(qū)動（驅(qū)動電機+減速器）系統(tǒng)噪聲成為主要噪聲源，其中驅(qū)動電機的高頻特性使得人們對聲品質(zhì)的關(guān)注度大幅上升。且隨著驅(qū)動電機朝著寬調(diào)速區(qū)間、更高轉(zhuǎn)速、輕量化等方向的發(fā)展，給電機的NVH 性能開發(fā)帶來了更多的挑戰(zhàn)。
電機噪聲主要分為三大類，即：電磁噪聲、機械噪聲、空氣動力噪聲。
展開 
某型純電動大客車NVH性能分析及優(yōu)化
某型純電動大客車NVH性能分析及優(yōu)化
摘要：本文以某型號純電動大客車為研究對象，應(yīng)用有限元分析的方法對其進行低頻NVH性能分析及優(yōu)化。首先應(yīng)用hypermesh軟件建立整車結(jié)構(gòu)和聲腔模型，分別進行模態(tài)分析，計算噪聲傳遞函數(shù)（NTF）并確定不符合國標的峰值頻率段；其次在噪聲傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上進行板件貢獻量和模態(tài)貢獻量分析，確定導致NTF峰值的板件，并通過加加強筋和貼自由阻尼的方式進行優(yōu)化，最終降低了NTF峰值，改善了車身NVH性能。
1有限元模型建立及模態(tài)分析
合理、精準的模型的建立是進行后續(xù)分析及優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。由于客車的大部分零件都是薄壁鈑金件，因此本文采用殼單元進行模擬，將整車的stp格式的三維圖導入hypermesh軟件中，抽取中面及幾何清理后劃分網(wǎng)格，考慮到計算時間和成本，網(wǎng)格大小選用20mm；骨架的連接采用rigids剛性連接，骨架與地板、玻璃采用膠粘的方式連接，骨架與蒙皮、頂棚采用點焊的方式連接，其他均采用剛性連接。質(zhì)量檢查通過后的整車模型
結(jié)構(gòu)模型共有shell單元407438個，rigids剛性單元17582個，焊點、膠等實體單元12318個，節(jié)點共計472868個，共計8種材料，36種屬性。如下圖1所示。
圖1.1 帶車身附件的骨架有限元模型 圖1.2 帶座椅的車室聲腔有限元模型
對建立好的整車模型進行補洞，同時考慮到座椅對車室內(nèi)聲腔影響較大，因此將座椅有限元模型導入NVH Director模塊進行聲腔模型的劃分，車室內(nèi)聲腔網(wǎng)格大小為100mm，座椅聲腔網(wǎng)格大小為70mm，將節(jié)點定義為流體，聲腔模型共計384024個實體單元，71202個節(jié)點，材料為空氣和座椅發(fā)泡。
展開 基于場力等效的耐撞性能白車身拓撲優(yōu)化分析
1 課題背景
基于仿真驅(qū)動設(shè)計的產(chǎn)品開發(fā)理念，進行某款白車身的前期方案設(shè)計。因為白車身的性能要求包括耐撞性、耐久性及NVH性能，所以在概念設(shè)計階段，拓撲優(yōu)化模型也應(yīng)該考慮碰撞工況、彎曲剛度和模態(tài)工況。對于白車身多工況優(yōu)化問題，可以利用多工況優(yōu)化方法或多模型優(yōu)化方法（MMO）。但是在實際工程應(yīng)用過程中，對于剛度及模態(tài)線性分析工況，可以獲得比較理想拓撲結(jié)果，而對于高度非線性的碰撞工況，目前公開文獻中采用的近似靜態(tài)載荷法獲得的拓撲路徑解讀性較差。
因此，如何用有效的靜態(tài)工況近似代替碰撞工況，是白車身多工況拓撲優(yōu)化的關(guān)鍵問題。
本課題提出一種利用場力代替碰撞力的優(yōu)化方法。通過與其它兩種方法對比發(fā)現(xiàn)，該方法不但保留了線性優(yōu)化的高效性，而且拓撲結(jié)果路徑清晰，材料分布合理，容易解讀。通過在實際項目中應(yīng)用及后期碰撞性能分析，驗證該方法在概念設(shè)計階段可以等效替代碰撞工況。
最終結(jié)合多工況拓撲結(jié)果，利用solidthinking解讀出車身骨架的概念方案，如下圖。
2 問題描述
基于造型、總布置及base模型，創(chuàng)建白車身的拓撲優(yōu)化空間，如下圖：
3 優(yōu)化模型
變量單元：以六面體為主的體單元；數(shù)量115萬；
邊界條件：約束前保險杠主點123；
載荷：施加全局-X向重力場；
約束：體積分數(shù)＜0.3；
目標：全局應(yīng)變能最小。
4 正碰拓撲結(jié)果
基于正碰工況下的等效場力法，經(jīng)優(yōu)化迭代后拓撲結(jié)果如下圖：
5 多工況拓撲優(yōu)化
工況：靜態(tài)載荷約束法（彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、頂壓）；等效場力法（正碰、偏置碰、側(cè)碰、后碰）；
約束：體積分數(shù)＜0.3；
目標：利用折中規(guī)劃法，將全局應(yīng)變能最小作為目標。
展開 Adams FMI聯(lián)合仿真助力福特汽車優(yōu)化燃油經(jīng)濟性和NVH性能
項目背景
在車輛設(shè)計過程中，NVH性能和燃油經(jīng)濟性往往必須相互權(quán)衡。例如，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于2000轉(zhuǎn)/分鐘，車輛處于高速檔位時通常會出現(xiàn)拖拽現(xiàn)象。在這種情況下，當駕駛員踩下油門時，發(fā)動機很難給車輛提供動力，同時產(chǎn)生的扭矩相對較小，因此加速度較低。由于發(fā)動機低轉(zhuǎn)速和高負載下的低點火頻率，拖拽會產(chǎn)生高能級的低頻輸入。這些低頻輸入經(jīng)常被駕駛員和乘客感受到，比如座椅導軌振動、方向盤振動和艙內(nèi)轟鳴聲。
工程師試圖控制拖拽的主要方法之一是通過液力變矩器，該變矩器利用流體聯(lián)軸器將發(fā)動機的扭矩傳遞并放大到變速器。液力變矩器由泵、渦輪、葉輪和包含在充滿傳動液的腔內(nèi)的定子組成，此外還有鎖止離合器和阻尼器組件。
離合器由電子控制，以提供所需的滑移水平。在需要時，離合器會鎖住，并
在發(fā)動機和變速器之間提供直接連接，從而達到接近100%的效率和最佳的燃油經(jīng)濟性。在閉鎖模式下，發(fā)動機扭矩波動會直接傳遞到變速器，有可能導致傳動系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲。滑動變矩器可增加阻尼，降低傳動系統(tǒng)振動對發(fā)動機扭矩激勵的敏感性，并改善NVH性能。另一方面，由于流體聯(lián)軸器和離合器摩擦，滑移增加了損失，降低了燃油經(jīng)濟性。
挑戰(zhàn)
在開發(fā)一種新車型時，工程師們要負責滿足各種經(jīng)常相互沖突的性能目標。燃油經(jīng)濟性和NVH性能是最重要的兩類目標。對于拖拽，NVH工程師通常負責保持變速器輸出軸的扭轉(zhuǎn)振動幅值低于目標值。NVH團隊自然更喜歡大的滑移，以幫助實現(xiàn)他們的目標，而負責燃油經(jīng)濟性的團隊則希望滑移盡可能低，以實現(xiàn)他們的目標。到目前為止，直到在產(chǎn)品開發(fā)過程的后期階段，一輛原型車被制造出來并進行了測試，才有可能高精度地確定扭轉(zhuǎn)振動振幅。然而，在這個后期階段，設(shè)計被凍結(jié)了，更改成本相當高，可能會推遲生產(chǎn)。
展開 設(shè)計仿真 | Adams FMI聯(lián)合仿真助力福特汽車優(yōu)化燃油經(jīng)濟性和NVH性能
挑 戰(zhàn)
在開發(fā)一種新車型時，工程師們要負責滿足各種經(jīng)常相互沖突的性能目標。燃油經(jīng)濟性和NVH性能是最重要的兩類目標。對于拖拽，NVH工程師通常負責保持變速器輸出軸的扭轉(zhuǎn)振動幅值低于目標值。NVH團隊自然更喜歡大的滑移，以幫助實現(xiàn)他們的目標，而負責燃油經(jīng)濟性的團隊則希望滑移盡可能低，以實現(xiàn)他們的目標。到目前為止，直到在產(chǎn)品開發(fā)過程的后期階段，一輛原型車被制造出來并進行了測試，才有可能高精度地確定扭轉(zhuǎn)振動振幅。然而，在這個后期階段，設(shè)計被凍結(jié)了，更改成本相當高，可能會推遲生產(chǎn)。福特正在尋找一種方法來模擬不同液力變矩器設(shè)計的影響，以便工程師能夠在設(shè)計和開發(fā)階段進行智能權(quán)衡。
解決方案
福特工程師利用Adams的控制聯(lián)合仿真來支持功能模型重用接口(FMI)工具，該工具獨立于模型交換或聯(lián)合仿真的開放標準，以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。FMI標準使得從一組數(shù)字組裝的物理定律和控制系統(tǒng)模型創(chuàng)建虛擬產(chǎn)品成為可能。模型的FMI實例稱為功能模型單元(FMU)。FMU是一個格式化文件，包含XML格式的模型描述文件、動態(tài)鏈接庫和模型數(shù)據(jù)文件。FMI可用于模型交換或協(xié)同仿真。
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在車輛設(shè)計過程中，NVH性能和燃油經(jīng)濟性往往必須相互權(quán)衡。例如，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于2000轉(zhuǎn)/分鐘，車輛處于高速檔位時通常會出現(xiàn)拖拽現(xiàn)象。在這種情況下，當駕駛員踩下油門時，發(fā)動機很難給車輛提供動力，同時產(chǎn)生的扭矩相對較小，因此加速度較低。由于發(fā)動機低轉(zhuǎn)速和高負載下的低點火頻率，拖拽會產(chǎn)生高能級的低頻輸入。這些低頻輸入經(jīng)常被駕駛員和乘客感受到，比如座椅導軌振動、方向盤振動和艙內(nèi)轟鳴聲。
工程師試圖控制拖拽的主要方法之一是通過液力變矩器，該變矩器利用流體聯(lián)軸器將發(fā)動機的扭矩傳遞并放大到變速器。液力變矩器由泵、渦輪、葉輪和包含在充滿傳動液的腔內(nèi)的定子組成，此外還有鎖止離合器和阻尼器組件。
離合器由電子控制，以提供所需的滑移水平。在需要時，離合器會鎖住，并在發(fā)動機和變速器之間提供直接連接，從而達到接近100%的效率和最佳的燃油經(jīng)濟性。在閉鎖模式下，發(fā)動機扭矩波動會直接傳遞到變速器，有可能導致傳動系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲。滑動變矩器可增加阻尼，降低傳動系統(tǒng)振動對發(fā)動機扭矩激勵的敏感性，并改善NVH性能。另一方面，由于流體聯(lián)軸器和離合器摩擦，滑移增加了損失，降低了燃油經(jīng)濟性。
挑 戰(zhàn)
在開發(fā)一種新車型時，工程師們要負責滿足各種經(jīng)常相互沖突的性能目標。
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