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基于Simcenter3D的整車加速工況仿真模擬

2020-03-14 01:09:35·  來(lái)源：Simcenter 3D Online  作者：鄒岳  
　
1分析背景在設(shè)計(jì)階段使用仿真方法預(yù)測(cè)振動(dòng)噪聲，在早期評(píng)估振動(dòng)噪聲水平，能夠減少樣車實(shí)測(cè)工作量，縮短開(kāi)發(fā)周期。隨著技術(shù)條件不斷成熟，目前自主品牌都轉(zhuǎn)向整
1  分析背景

在設(shè)計(jì)階段使用仿真方法預(yù)測(cè)振動(dòng)噪聲，在早期評(píng)估振動(dòng)噪聲水平，能夠減少樣車實(shí)測(cè)工作量，縮短開(kāi)發(fā)周期。隨著技術(shù)條件不斷成熟，目前自主品牌都轉(zhuǎn)向整車級(jí)振動(dòng)噪聲仿真，期待設(shè)計(jì)階段“看到”整車NVH設(shè)計(jì)效果并消除主要NVH缺陷。

整車加速工況是NVH重要分析工況，目前車企常認(rèn)為正常的激勵(lì)以點(diǎn)火階次為主，其他階次成分強(qiáng)制0權(quán)重，只用點(diǎn)火階次成分作為載荷進(jìn)行振動(dòng)噪聲仿真。

計(jì)算結(jié)果經(jīng)常是這樣的：
 
圖1-1 二維曲線

而測(cè)試工程師習(xí)慣的畫風(fēng)是這樣的：
 
圖1-2 Colormap圖

對(duì)比可見(jiàn)，單一階次加載不但提供的信息較少，而且很有可能產(chǎn)生較大誤差。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中常遇到不那么完美的載荷，如果階次成分不按劇本出場(chǎng)，含有較大的能量，會(huì)導(dǎo)致仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致性不好。這給CAE目標(biāo)體系制定、NVH性能設(shè)計(jì)帶來(lái)很大麻煩。

事先剔除階次成分，卻又希望仿真結(jié)果與測(cè)試一致！仿真分析常有“緣木求魚(yú)”之感，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中未能充分發(fā)揮作用。

仿真能不能給出更準(zhǔn)確的結(jié)果，更豐富的信息呢？

當(dāng)然可以！

例如用Simcenter3D基于模態(tài)來(lái)模擬加速工況，圖1-3是仿真得到的Colormap圖。

除可以給出Colormap圖，也可以顯示加速工況中任意轉(zhuǎn)速的振動(dòng)頻譜曲線，如圖1-4所示。
 
圖1-3 Colormap圖（Simcenter3D仿真結(jié)果）
 
圖1-4 某轉(zhuǎn)速頻譜曲線（Simcenter3D仿真結(jié)果）

Simcenter3D還可給出其他多種形式的結(jié)果查看方式，便于工程師從不同角度提取信息分析問(wèn)題。這是施加單一階次的載荷計(jì)算加速工況所不能提供的。

本文介紹Simcenter3D軟件如何仿真模擬加速工況并以NVH測(cè)試工程師喜聞樂(lè)見(jiàn)的形式呈現(xiàn)結(jié)果，然后順便給出加速工況的傳遞路徑分析結(jié)果。

2 功能簡(jiǎn)介

本文假設(shè)有一換代產(chǎn)品需要進(jìn)行加速工況整車振動(dòng)噪聲分析，上代產(chǎn)品的載荷信息已知，現(xiàn)在對(duì)換代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)仿真。

以FRF-basedResponse case求解，計(jì)算輸入為載荷與傳遞導(dǎo)納。按照仿真流程，這兩項(xiàng)輸入只需調(diào)用已有文件。

通常在采集完數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)Test.Lab軟件進(jìn)行分析并保存，仿真計(jì)算時(shí)直接調(diào)用.lms格式測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)加載。

利用已有傳遞導(dǎo)納進(jìn)行分析，相當(dāng)于實(shí)際仿真流程中動(dòng)剛度、VTF、NTF已經(jīng)完成計(jì)算和優(yōu)化并歸檔，在整車振動(dòng)噪聲計(jì)算時(shí)直接從庫(kù)中調(diào)用最終優(yōu)化結(jié)果。

2.1載荷加載

通常使用動(dòng)剛度法、逆矩陣法等將振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)化為力載荷，本文為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，直接使用安裝處采集到的加速度作為載荷。讀者可以自行采用其他方式獲取載荷。

導(dǎo)入Simcenter3D后查看載荷數(shù)據(jù)，一方面檢查數(shù)據(jù)有無(wú)異常，一方面對(duì)載荷信息有初步了解。例如某安裝點(diǎn)載荷為：
 
圖2-1 載荷查看：Colormap+OA level

2.2 引用傳遞導(dǎo)納

從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用已經(jīng)完成的傳遞導(dǎo)納結(jié)果即可，這里導(dǎo)入編造的 .pch文件，各激勵(lì)點(diǎn)到響應(yīng)點(diǎn)的VTF如圖2-2所示：
 
圖2-2 導(dǎo)納查看：Colorbar

2.3 加速工況仿真

完成載荷與傳遞導(dǎo)納引用及檢查之后即可求解振動(dòng)噪聲，并同時(shí)完成傳遞路徑分析計(jì)算。計(jì)算不涉及有限元求解過(guò)程，一般幾分鐘之內(nèi)即可以結(jié)束。

2.4 查看振動(dòng)結(jié)果

結(jié)果圖示分為上下兩部分，下部是Colormap圖，上部是X-Y二維圖，顯示中感興趣的部分信息。

建議按照以下的次序查看結(jié)果。

以Colormap+OAlevels查看結(jié)果。上部顯示振動(dòng)總級(jí)隨轉(zhuǎn)速的變化，例如顯示節(jié)點(diǎn)106響應(yīng)點(diǎn)Z方向在1375rpm有振動(dòng)峰值；下部光標(biāo)指示1375rpm在69Hz有較大振動(dòng)，對(duì)應(yīng)階次為3階。另外可見(jiàn)1階和1.25階振動(dòng)也較大。
 
圖2-3 結(jié)果 查看： Colormap+OA level 

以Colormap+2Ddisplay查看特定轉(zhuǎn)速頻譜，進(jìn)一步確定問(wèn)題頻率。上部顯示加速工況中任意轉(zhuǎn)速的振動(dòng)頻譜，如節(jié)點(diǎn)106響應(yīng)點(diǎn)Z方向在1375rpm的頻譜曲線顯示在多個(gè)頻率點(diǎn)有振動(dòng)峰值，如23、69Hz等。
 
圖2-4 結(jié)果查看：Colormap+2D Display

Simcenter3D提供另一個(gè)工具Colormap+ 2D Ordercuts display，上部顯示任意階次的響應(yīng)值，

并隨下部的光標(biāo)移動(dòng)。例如Colormap圖中將光標(biāo)放到1階，二維圖中顯示1階成分的振動(dòng)曲線。
 
圖2-5 結(jié)果查看：Colormap+Ordercuts

Colormap圖中將光標(biāo)放到3階，二維圖隨即顯示3階成分的振動(dòng)曲線。
 
圖2-6 結(jié)果查看：Colormap+Ordercuts

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，雖然一般認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)3階是主要階次成分，但是1階的貢獻(xiàn)甚至超過(guò)3階。根據(jù)階次貢獻(xiàn)查找可能的旋轉(zhuǎn)件問(wèn)題，例如傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)及附件等。

這再次說(shuō)明如果在仿真計(jì)算之前就只選擇部分階次來(lái)進(jìn)行整車振動(dòng)噪聲計(jì)算，則很容易遺漏重要階次，導(dǎo)致誤差。

因此不建議在第一次分析時(shí)采用下圖所示坎貝爾圖形式載荷進(jìn)行仿真，因?yàn)樵谇闆r不明確的時(shí)候容易漏掉重要階次成分； 更不建議直接用單一階次做載荷開(kāi)展分析。
 
圖2-7 坎貝爾圖

2.5 傳遞路徑分析

傳遞路徑分析在求解振動(dòng)時(shí)已經(jīng)完成，利用上面的結(jié)果直接查看傳遞路徑貢獻(xiàn)，在同一位置操作。

相對(duì)單一頻譜加載，加速工況計(jì)算的特點(diǎn)是可以查看加速過(guò)程中任意轉(zhuǎn)速和頻率的傳遞路徑貢獻(xiàn)，而不是單一轉(zhuǎn)速或單一頻率的傳遞路徑貢獻(xiàn)度，即圖2-8的轉(zhuǎn)速和頻率都是可以隨意改變的。

建議采用以下順序查看。

用Bar chartcontribution display，查看傳遞路徑相對(duì)貢獻(xiàn)度。例如經(jīng)分析知，節(jié)點(diǎn)編號(hào)106響應(yīng)點(diǎn)在1375rpm對(duì)應(yīng)23Hz的振動(dòng)較大，傳遞路徑貢獻(xiàn)度顯示節(jié)點(diǎn)111_ Z-106_Zz 在前五條主要路徑中為最大正貢獻(xiàn)路徑。
 
圖2-8 傳遞路徑貢獻(xiàn)度

用Path-relatedcontribution display顯示載荷、傳遞導(dǎo)納、響應(yīng)曲線。上部的載荷曲線顯示在23Hz載荷存在峰值；中圖顯示VTF曲線上23Hz落在峰值后面，說(shuō)明該路徑貢獻(xiàn)較大的原因，并非結(jié)構(gòu)自身設(shè)計(jì)問(wèn)題，而是載荷過(guò)大。
 
圖2-9 path-relatedcontribution display

根據(jù)以上信息可以確定優(yōu)化方向，例如判斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)以降低VTF不會(huì)有明顯效果，從隔振方面入手可能效果更明顯。

如果判斷問(wèn)題根源為結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)引起，可基于模態(tài)展開(kāi)仿真，進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)度分析，確定結(jié)構(gòu)薄弱位置。軟件操作過(guò)程類似，本文不再展開(kāi)。

3 總結(jié)

對(duì)NVH問(wèn)題分析來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)和仿真是緊密聯(lián)系的工具，猶如一個(gè)硬幣的兩面。Simcenter3D和Test.Lab作為同一公司的產(chǎn)品，在NVH分析方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，具有豐富靈活的數(shù)據(jù)處理能力。

對(duì)加速工況分析來(lái)說(shuō)，只分析振動(dòng)/噪聲總級(jí)曲線得到的信息較少，而只加載某階次成分則有可能得到不準(zhǔn)確的結(jié)果。結(jié)合Test.Lab測(cè)試，以瀑布圖形式加載可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，給出豐富的信息幫助查找問(wèn)題原因。

Simcenter3D軟件很“工程化”，整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有復(fù)雜操作，仿真工程師可以集中精力分析問(wèn)題，而不是被各種細(xì)節(jié)糾纏。解決了究竟是人在操作軟件，還是軟件在操作人的“哲學(xué)問(wèn)題”。例如完成傳遞路徑分析后，可以使用Modification 工具添加質(zhì)量塊、動(dòng)力吸振器等快速修改傳遞導(dǎo)納，再次計(jì)算加速振動(dòng)噪聲并與原狀態(tài)對(duì)比來(lái)確定優(yōu)化方向，不必修改有限元模型。

最后要說(shuō)明的是，本文為著重說(shuō)明加速工況的仿真分析，只對(duì)單一系統(tǒng)展開(kāi)分析以介紹軟件功能。實(shí)際項(xiàng)目需要在整車級(jí)開(kāi)展多級(jí)傳遞路徑分析，更好揭示振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生及傳遞過(guò)程。詳細(xì)介紹可參考《虛實(shí)結(jié)合之Simcenter 3D 試驗(yàn)-仿真混合建?！芬晃?。
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