前言   

試驗(yàn)和仿真結(jié)合的方法進(jìn)行汽車(chē)NVH性能預(yù)測(cè)

汽車(chē)行業(yè)正在經(jīng)歷著里新一輪的變革，造車(chē)新勢(shì)力來(lái)勢(shì)洶洶，傳統(tǒng)車(chē)企紛紛加速向新能源車(chē)市場(chǎng)轉(zhuǎn)型，新車(chē)推出的時(shí)間越來(lái)越短，性能開(kāi)發(fā)工程師的壓力也越來(lái)越大。NVH性能開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)有了相對(duì)成熟的研發(fā)流程，很多研發(fā)工作已經(jīng)提前到樣車(chē)可用之前，比如：對(duì)標(biāo)分析、目標(biāo)設(shè)定與分解、數(shù)據(jù)檢查、有限元分析等等。本文介紹的虛擬樣機(jī)裝配技術(shù)，可使得NVH研發(fā)工作進(jìn)一步提前, 在樣車(chē)出來(lái)之前，即可解決大部分的NVH問(wèn)題。有效提高NVH團(tuán)隊(duì)的工作效率，縮短車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期。

本文首先介紹虛擬樣機(jī)裝配的基本原理及步驟，然后提供三個(gè)案例，展示通過(guò)試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行汽車(chē)NVH性能預(yù)測(cè)的廣闊應(yīng)用前景。

01

虛擬樣機(jī)裝配基本原理及步驟

虛擬樣機(jī)裝配（VPA = Virtual Prototype Assembly）是基于傳遞路徑分析的“源-路徑-響應(yīng)”模型，通過(guò)試驗(yàn)或者仿真的手段將“源”和“路徑”模塊化，模塊化的數(shù)據(jù)分別代表這些零部件各自的獨(dú)立特征，并且可以靈活地虛擬組裝在一起，從而進(jìn)行NVH性能預(yù)測(cè)。

以電動(dòng)車(chē)為例，跟NVH相關(guān)的零部件或子系統(tǒng)有：電驅(qū)總成、懸置、雨刮電機(jī)、懸架、壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車(chē)身等。主機(jī)廠NVH工程師或零部件供應(yīng)商可以通過(guò)統(tǒng)一的方法對(duì)特定的零部件進(jìn)行測(cè)試或分析，以表征其NVH特性，并通過(guò)零部件庫(kù)共享這些數(shù)據(jù)信息。有了零部件庫(kù)之后，NVH工程師可以很容易地組裝一臺(tái)虛擬的車(chē)輛，預(yù)測(cè)其NVH特性并對(duì)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

【這里要補(bǔ)充一點(diǎn)，傳統(tǒng)TPA獲得的激勵(lì)源結(jié)構(gòu)載荷與激勵(lì)源的安裝結(jié)構(gòu)相關(guān)，不能單獨(dú)表征激勵(lì)源的結(jié)構(gòu)載荷特性。而通過(guò)“基于部件TPA” 技術(shù)獲得的載荷是獨(dú)立于安裝結(jié)構(gòu)的不變載荷（Blocked force），可以用于虛擬樣機(jī)裝配?！?/span>

虛擬樣車(chē)裝配技術(shù)的應(yīng)用分為三個(gè)步驟：NVH部件定義、虛擬樣機(jī)裝配、預(yù)測(cè)及分析。

1、NVH部件定義

Simcenter Testlab VPA Definition模塊用于創(chuàng)建和定義部件模型、載荷及試驗(yàn)工況，數(shù)據(jù)以圖形化形式被定義和存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，部件和部件變體模型可以很方便的重復(fù)使用，這樣工程師就可以很輕松地調(diào)用存儲(chǔ)在部件庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行NVH性能預(yù)測(cè)。

目前可支持的部件類型主要包含以下幾類：激勵(lì)源，通過(guò)Blocked force（剛性約束力）表示，如動(dòng)力總成、車(chē)輪、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、雨刮電機(jī)、壓縮機(jī)等；連接元件，通過(guò)動(dòng)剛度表示，如懸置、襯套等；載體結(jié)構(gòu)，通過(guò)傳函表示，如車(chē)身等。測(cè)試場(chǎng)景主要包含裝配體可運(yùn)行的工況數(shù)據(jù)，可以是時(shí)域數(shù)據(jù)或者是數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)，可以通過(guò)實(shí)測(cè)獲得也可以通過(guò)編輯獲得。

試驗(yàn)和仿真工程師、主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商都可以參與到該項(xiàng)工作中，零部件模型可以在Simcenter Testlab、Simcenter 3D、Simcenter Amesim甚至第三方工具中編寫(xiě)。

3、虛擬養(yǎng)車(chē)

2、虛擬樣機(jī)裝配（VPA)

Simcenter Testlab Virtual Prototype Assembly虛擬樣機(jī)裝配模塊能夠創(chuàng)建不同配置的虛擬樣車(chē)，并以一種簡(jiǎn)單和直觀的方式比較其性能。裝配體中的部件可以在現(xiàn)有部件數(shù)據(jù)庫(kù)中快速查找和替換，新的裝配體可以被保存下來(lái)，這樣一來(lái)可以很輕松地進(jìn)行不同裝配形式的NVH性能對(duì)比分析。

虛擬裝配體定義完成之后，求解器將被啟動(dòng)，它將收集部件的數(shù)據(jù)，按照部件定義環(huán)節(jié)定義的測(cè)試場(chǎng)景將我們關(guān)心的轉(zhuǎn)速或者車(chē)速條件下的結(jié)果計(jì)算出來(lái)。以下是VPA軟件界面。

Simcenter Testlab VPA軟件界面

3、NVH性能預(yù)測(cè)及分析

完成前面兩個(gè)步驟之后，虛擬裝配體的預(yù)測(cè)結(jié)果也隨之計(jì)算出來(lái)，如車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的聲音或者座椅導(dǎo)軌的振動(dòng)等。我們可以對(duì)此結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)而深入的分析，包括和設(shè)計(jì)目標(biāo)值的對(duì)比、與競(jìng)品車(chē)對(duì)比、傳遞路徑分析等。如果發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果中存在NVH問(wèn)題，可以進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)的根源分析，查找是源還是某（些）條路徑引起的該問(wèn)題。并可以對(duì)零部件的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，然后將修改后的數(shù)據(jù)替換原裝配體中的數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)比兩次預(yù)測(cè)的結(jié)果，這個(gè)過(guò)程可以為設(shè)計(jì)變更提供有效的指導(dǎo)。

試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的模式，使得該方法具有極大的靈活性，該方法可以在車(chē)輛開(kāi)發(fā)的任何階段使用，這取決于我們有哪些數(shù)據(jù)。接下來(lái)結(jié)合幾個(gè)實(shí)際案例，展示該方法廣闊的應(yīng)用前景。

02

預(yù)測(cè)電動(dòng)車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲

下面幾個(gè)案例是將電動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元（EDU）集成到車(chē)身，在軟件Simcenter Testlab VPA Assembler模塊中對(duì)其進(jìn)行NVH性能預(yù)測(cè)。以下三種不同的場(chǎng)景層層遞進(jìn)：

• 場(chǎng)景1：完全基于測(cè)試的方法，使用EDU、懸置、車(chē)身的測(cè)試數(shù)據(jù)。

  
  

• 場(chǎng)景2：試驗(yàn)和仿真結(jié)合的方法，將測(cè)試得到的EDU載荷集成到不同車(chē)身上，車(chē)身數(shù)據(jù)通過(guò)CAE模型獲得。

  
  

• 場(chǎng)景3：完全基于CAE的方法，將通過(guò)仿真得到的EDU載荷集成到不同的車(chē)身上，車(chē)身數(shù)據(jù)通過(guò)CAE模型獲得。

場(chǎng)景1:  使用測(cè)試獲得的EDU載荷和車(chē)輛傳函進(jìn)行預(yù)測(cè)

首先我們從建立NVH預(yù)測(cè)的流程開(kāi)始，使用已有的零部件來(lái)驗(yàn)證方法的可靠性。因此，我們將用純測(cè)試數(shù)據(jù)描述現(xiàn)有車(chē)輛的特征。

使用基于部件TPA的方法從試驗(yàn)臺(tái)架的測(cè)量中提取EDU的不變載荷（結(jié)構(gòu)和聲學(xué)）。下一步是測(cè)量車(chē)輛“被動(dòng)側(cè)”（即EDU以下的所有部件，如EDU懸置、副車(chē)架、車(chē)身等）不同層級(jí)上的動(dòng)剛度或頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF），以描述從EDU載荷到車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的傳遞路徑。

虛擬樣機(jī)裝配技術(shù)中常用的數(shù)據(jù)

利用基于頻率的子結(jié)構(gòu)（FBS）技術(shù)將“被動(dòng)側(cè)”的零部件組裝在一起。然后將從臺(tái)架試驗(yàn)中提取的EDU載荷（結(jié)構(gòu)和聲學(xué)）添加到該裝配體，以預(yù)測(cè)車(chē)內(nèi)噪聲。

如下圖所示，合成的噪聲與測(cè)試結(jié)果匹配的較好。說(shuō)明該方法是可靠的，并且模型的精度較好。

車(chē)內(nèi)噪聲比較，測(cè)試值 Vs 預(yù)測(cè)值

我們可以對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果做進(jìn)一步的研究。例如，對(duì)于車(chē)內(nèi)聽(tīng)到的某個(gè)噪音問(wèn)題是純粹的聲學(xué)問(wèn)題還是由EDU振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。為此，我們可以分別考察結(jié)構(gòu)和聲學(xué)路徑部分的貢獻(xiàn)，將整體噪聲分解為EDU結(jié)構(gòu)聲、EDU空氣聲、懸架結(jié)構(gòu)聲三個(gè)部分。從下圖可以看出，EDU聲學(xué)貢獻(xiàn)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都較大，一些特定的峰值是由EDU結(jié)構(gòu)載荷引起的，例如：2200 Hz，2700 Hz，3250 Hz。

車(chē)內(nèi)噪聲的結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)和聲學(xué)貢獻(xiàn)

場(chǎng)景2：試驗(yàn)和仿真結(jié)合的方法，將測(cè)試得到的EDU載荷集成到不同車(chē)身上， 車(chē)身數(shù)據(jù)通過(guò)CAE模型獲得

在該場(chǎng)景中，我們考察不同的內(nèi)飾對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響。

首先在Simcenter 3D中構(gòu)建車(chē)輛的聲振模型，以計(jì)算從EDU到駕駛室的FRF。在這個(gè)例子中，我們考察防火墻對(duì)整車(chē)的影響，比較不帶防火墻和帶有防火墻對(duì)整車(chē)NVH的影響。

以下是模型的信息：

車(chē)輛聲振模型

以下是帶防火墻和不帶防火墻的聲學(xué)傳函比較，從圖中可以看出，防火墻主要影響600Hz以上的傳函。

從聲振模型中提取的聲傳函

然后，將前面通過(guò)測(cè)試提取的EDU載荷（聲學(xué)）耦合到這兩個(gè)不同配置的虛擬車(chē)輛上。如下面結(jié)果所示，防火墻可以有效降低車(chē)內(nèi)高頻（1kHz以上）噪聲，并且?guī)Х阑饓Φ姆治鼋Y(jié)果與實(shí)車(chē)的測(cè)試結(jié)果吻合的較好。

   車(chē)內(nèi)駕駛員左右耳位置的噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果及實(shí)測(cè)值

場(chǎng)景3： 完全基于CAE的方法，將通過(guò)仿真得到的EDU載荷集成到不同的車(chē)身上，車(chē)身數(shù)據(jù)通過(guò)CAE模型獲得

通過(guò)Simcenter 3D，我們可以基于CAE方法對(duì)EDU電機(jī)進(jìn)行載荷識(shí)別，總體思路是：將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁載荷及電機(jī)近場(chǎng)的聲壓，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為聲載荷。

借助于Simcenter 3D，我么可以計(jì)算出電驅(qū)動(dòng)的聲學(xué)輻射，并且可以與前面場(chǎng)景中的車(chē)輛配置相結(jié)合。

在CAE環(huán)境中，我們的仿真計(jì)算可以從電流到電磁負(fù)載，從近場(chǎng)聲壓到聲學(xué)載荷等等，可以通過(guò)仿真方便地評(píng)估任何我們想要的設(shè)計(jì)修改。

Simcenter 3D電磁和聲學(xué)仿真提取EDU聲載荷示意圖

在該場(chǎng)景中，我們將通過(guò)仿真獲取的電機(jī)聲載荷耦合到場(chǎng)景2中的兩種不同配置的車(chē)身上，考察車(chē)內(nèi)8階噪聲的表現(xiàn)，如下圖示。

車(chē)內(nèi)駕駛員左右耳位置的8階噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果及實(shí)測(cè)值

在車(chē)輛開(kāi)發(fā)的早期，該方法可以非常方便的評(píng)估EDU的設(shè)計(jì)變更對(duì)整車(chē)NVH性能的潛在影響，通過(guò)仿真的手段獲取變更后的EDU載荷，并將其耦合到CAE車(chē)身上，即可考察設(shè)計(jì)變更對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響。

03

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上幾個(gè)案例，相信大家已經(jīng)領(lǐng)略到虛擬樣機(jī)裝配技術(shù)的強(qiáng)大。無(wú)論是測(cè)量數(shù)據(jù)還是仿真數(shù)據(jù)，都可用于汽車(chē)整車(chē)級(jí)NVH性能預(yù)測(cè)，這種靈活性可以促進(jìn)測(cè)試團(tuán)隊(duì)和仿真團(tuán)隊(duì)、OEM和零部件供應(yīng)商之間的合作，將NVH開(kāi)發(fā)工作大大提前，在樣車(chē)出來(lái)之前，即可解決大部分的NVH問(wèn)題。有效的提高NVH團(tuán)隊(duì)的工作效率，縮短車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期。

更進(jìn)一步，如果有一種技術(shù)/裝置，能夠?qū)νㄟ^(guò)虛擬樣機(jī)裝配（VPA）技術(shù)預(yù)測(cè)得到的NVH客觀結(jié)果，進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，那就更加完美了。