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虛實結(jié)合之Simcenter 3D 試驗-仿真混合建模

2020-01-19 18:40:12·  來源：Simcenter 3D Online  作者：李海龍  
　
1前言數(shù)值仿真和物理試驗是目前產(chǎn)品NVH設(shè)計的兩大技術(shù)手段。物理試驗的特點是試驗技術(shù)比較直觀、結(jié)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
1 前言
 
數(shù)值仿真和物理試驗是目前產(chǎn)品NVH設(shè)計的兩大技術(shù)手段。物理試驗的特點是試驗技術(shù)比較直觀、結(jié)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(shù)值仿真技術(shù)優(yōu)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(shè)計前期不具備物理樣機的情況下即開始應(yīng)用，并有效的指導(dǎo)設(shè)計。
 
NVH行業(yè)內(nèi)流行一句調(diào)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(jié)合以提高數(shù)值仿真分析的精度。針對產(chǎn)品NVH設(shè)計過程中試驗與仿真手段所面臨的問題，西門子數(shù)字工業(yè)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(yīng)商，獨創(chuàng)性的將物理試驗和仿真分析兩種方法集成起來，開創(chuàng)性的提出了系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)，該技術(shù)可以充分發(fā)揮試驗測試技術(shù)與仿真分析技術(shù)各自的優(yōu)勢，共同指導(dǎo)產(chǎn)品NVH設(shè)計，真正實現(xiàn)“試驗-仿真兩條腿走路”。
 
2 Simcenter3D 系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)
系統(tǒng)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(tǒng)既可以通過試驗?zāi)Ｐ蛠砻枋鲆部梢酝ㄟ^仿真模型來描述?；旌辖３浞掷昧嗽囼灉y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(tǒng)，可以用試驗?zāi)Ｐ痛?，既不影響系統(tǒng)分析又保護了技術(shù)秘密。試驗?zāi)Ｐ兔枋龅淖酉到y(tǒng)，充分考慮了系統(tǒng)的阻尼與非線性，更為準確，數(shù)據(jù)量也更低，大大降低了仿真分析的計算規(guī)模。同時混合模型中的仿真模型又可以用于產(chǎn)品改進過程中的參數(shù)優(yōu)化。
 
Simcenter3D系統(tǒng)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(xué)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(tǒng)級的NVH模型；最后，導(dǎo)入試驗測試或者仿真分析得到的載荷，基于傳遞函數(shù)或者模態(tài)的子結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)，快速求解出系統(tǒng)級模型上的強迫振動（噪聲）響應(yīng)。Simcenter3D系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)完美地將試驗與仿真結(jié)合起來，根據(jù)實際工程需要任意組合，充分發(fā)揮試驗（準確快捷）和仿真（靈活方便）的優(yōu)勢并有效互補，極大提高系統(tǒng)級NVH仿真模型的實用性，實現(xiàn)NVH仿真試驗有機結(jié)合。
Simcenter3D 系統(tǒng)級NVH和混合建模一般流程，如下圖所示：
Simcenter3D系統(tǒng)級NVH和混合建模流程
LMS Virtual.Lab與Simcenter 3D混合建模功能技術(shù)對比
相較于上一代產(chǎn)品LMS Virtual.Lab中的混合建模技術(shù)只能實現(xiàn)模態(tài)&模態(tài)、傳函&傳函之間的混合建模，Simcenter 3D中的混合建模技術(shù)進一步增強，可以實現(xiàn)“試驗?zāi)B(tài)、仿真模態(tài)、試驗傳函、仿真?zhèn)骱?rdquo;任意組合的混合建模，工程適應(yīng)性進一步增強。
 
 
Simcenter 3D系統(tǒng)級NVH和混合建模流程
3 技術(shù)優(yōu)勢
Simcenter 3D系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)優(yōu)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(tài)、傳遞函數(shù)等動態(tài)特性則很容易，這種情況下可以使用Simcenter 3D的混合建模技術(shù)，從而大幅降低NVH的建模難度。
2）改善仿真精度
由于Simcenter3D系統(tǒng)級NVH和混合建模過程中，有限元建模困難或者精確參數(shù)獲取困難的部件利用試驗測試數(shù)據(jù)來代替，因此極大改善了復(fù)雜模型的NVH仿真精度。
3）提高仿真效率
Simcenter 3D系統(tǒng)級NVH和混合建模過程中，復(fù)雜模型、大尺寸模型采用試驗測試數(shù)據(jù)來代替，相較于全尺寸有限元仿真模型，試驗測試數(shù)據(jù)的自由度極大降低，因此極大提高了系統(tǒng)級NVH模型的仿真效率。
4）提升仿真深度
Simcenter 3D 系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)，使的整車、整機等系統(tǒng)級NVH分析及優(yōu)化成為可能，提升了系統(tǒng)級NVH模型的總體仿真深度。
仿真精度與仿真效率對比：
下面以某整車內(nèi)場聲學(xué)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(fā)現(xiàn)采用兩種方法得到仿真結(jié)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。
整車NVH仿真模型  
不同方法仿真精度對比
不同方法仿真效率對比
4 主要工程應(yīng)用
1）新車型整車NVH開發(fā)
隨著工業(yè)技術(shù)的逐漸成熟，各行業(yè)市場競爭日趨激烈，從而導(dǎo)致目前產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非?？?。以汽車行業(yè)為例，各主機廠每年都要對其旗下車型進行改進設(shè)計，或更新?lián)Q代，或中期改款，但為了延續(xù)車型的風(fēng)格，通常汽車的外形、車身結(jié)構(gòu)不會有大的變化，主要優(yōu)化動力系統(tǒng)及底盤系統(tǒng)。
因此，Simcenter3D系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)特別適用于新車型早期的整車NVH開發(fā)，在新車型樣車出現(xiàn)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(jié)構(gòu)，可以利用上一代產(chǎn)品的NVH試驗測試數(shù)據(jù)；
②對于需要改進的動力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等子系統(tǒng)，可以使用新設(shè)計方案的有限元模型；
③利用Simcenter 3D的混合建模技術(shù)，將試驗仿真模型裝配成整車系統(tǒng)級NVH模型，從而實現(xiàn)設(shè)計階段快速、準確預(yù)測新車型的NVH性能。
新車型整車NVH開發(fā)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(yīng)商的關(guān)注。對于整車路噪仿真，涉及輪胎及內(nèi)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(dǎo)致整車路噪仿真不易實現(xiàn)。
Simcenter 3D整車路噪仿真建模流程
 
Simcenter3D系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)，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(nèi)飾車身等部件可以采用真實的試驗測試數(shù)據(jù)來代替；需要詳細優(yōu)化設(shè)計的副車架/轉(zhuǎn)向架、懸置等系統(tǒng)，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(shù)據(jù)的載荷識別技術(shù)得到，最后利用Simcenter3D系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)預(yù)測整車的路噪水平，并對副車架及懸置參數(shù)進行快速優(yōu)化。
 
5 典型客戶案例
 
泛亞汽車技術(shù)中心-基于混合建模技術(shù)進行后橋優(yōu)化設(shè)計
 
泛亞汽車技術(shù)中心，利用Simcenter 3D中的混合建模技術(shù)，將后橋局部優(yōu)化問題的整車分析模型進行簡化，其中用傳遞函數(shù)代替整車內(nèi)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(yōu)化效率，此方法同樣適用于試驗和CAE混合模型的建立及應(yīng)用。
混合建模分析過程
 
簡化模型如下圖所示，按照實際連接關(guān)系將簡化傳遞函數(shù)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(jié)果匹配較好，115Hz峰值得到再現(xiàn)，計算時間只花費2分鐘，以此模型為基礎(chǔ)進行優(yōu)化工作，大大提升了優(yōu)化效率。
           建立簡化模型            CAE初步分析結(jié)果
以簡化模型為基礎(chǔ)，分別得到了連接點襯套剛度優(yōu)化、扭梁增加吸振器、扭梁本身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等優(yōu)化效果，每一輪分析均在5分鐘以內(nèi)可完成，大大減少了尋找方向的時間，如下圖所示。
三種優(yōu)化分析方向
最終優(yōu)化效果
 
基于混合建模技術(shù)進行快速優(yōu)化，使得多種方案的驗證成為可能，通過多輪優(yōu)化后，最終對后扭梁進行了結(jié)構(gòu)修改。在整車模型中對最終方案進行了一輪仿真驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新方案不僅使得路噪結(jié)果在關(guān)心頻率降低了3dB，同時結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得后懸架重量也降低2.5Kg，達到了CAE指導(dǎo)設(shè)計的目的。
 
在項目開發(fā)過程中，混合建模技術(shù)可以充分利用現(xiàn)有的仿真及試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)整車NVH快速分析及優(yōu)化，預(yù)防、解決車型本身存在的問題，節(jié)省開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期、提高整車NVH性能。
 
6 總結(jié)
Simcenter3D系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)將西門子數(shù)字工業(yè)軟件多年成熟的工程測試技術(shù)與CAE仿真技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮了實物試驗和虛擬仿真各自的優(yōu)勢，不僅使得仿真速度更快，而且使得仿真結(jié)果更加精確可靠。
Simcenter3D系統(tǒng)級NVH和混合建模技術(shù)的投資回報，不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品更快地投放市場和節(jié)約開發(fā)費用等方面，而且體現(xiàn)在改進了產(chǎn)品質(zhì)量，提出了新的產(chǎn)品開發(fā)模式。
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