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转自公众号： Simcenter 3D Online
作者：李海龙
作者：李海龙
1 项目背景
随着车辆开发周期的不断缩短，为了避免出现设计缺陷，在实际样车出现之前的早期设计阶段，整车NVH工程师对整车NVH性能进行预测是很有必要的。目前，有限元技术在内饰车身建模精度方面体现了巨大的优势，从而被广泛采用。然而，有限元技术对于整车路噪分析比较关心的150-400Hz中频段的建模精度仍然比较低，而且有限元技术的分析时间较长、产生的仿真结果文件较大。为了突破这些限制，在整车路噪仿真时采用了西门子数字工业软件开发的混合建模技术，将悬置与传动系统的有限元模型与内饰车身的试验测试传递函数相耦合，最后对整车路噪仿真结果与实际车辆测试结果进行比较，展示了良好的相关性。
2 项目简介
混合建模技术将试验测试数据与数值仿真模型相结合，是一种缩短产品开发进程的常用方法。在进行NVH预测时，数值模型通常是有限元仿真模型，而测试数据通常是试验模态或试验传递函数，然后基于子结构综合技术将部件的试验测试数据与仿真模型进行装配耦合。
本项目采用混合建模方法对某乘用车20-400Hz范围内的路噪进行仿真。试验和仿真的传递函数据组成整车的混合模型，其中前后悬挂、转向系统采用仿真模型，车身采用试验测试模型，轮胎采用有预载荷的等效试验模型，路面载荷使用载荷识别得到的轮胎轮心力。
通过整车声振传函的试验测试数据对整车混合模型精度进行验证，保证建模的准确性。另外，可以将上一代车型的路面载荷加载到混合模型上进行整车NVH性能预测。最后，对混合模型预测的结果进行试验验证。整车混合模型可以用于快速评价不同设计方案的路噪等级及效果，同时，可以对有限元仿真模型中衬套、悬置部件的参数进行优化。
2.1 载荷识别
路噪载荷来自轮胎与路面的接触，但直接测试该载荷不容易实现，因此可以采用载荷识别的方法间接实现，载荷识别主要有两种方式：传函逆矩阵方法及原点动刚度方法，本项目采用传函逆矩阵方法识别路噪载荷。
图1 路面载荷识别
为了验证载荷识别得到的载荷精度，利用得到的轮心等效力乘以轮心到驾驶员耳侧传函得到驾驶员耳测的声压，并与整车驾驶员耳侧实测声压进行对比，两者曲线幅值趋势基本一致，验证了路噪载荷精度。
图2 驾驶员耳侧试验测试声压与载荷识别综合声压结果对比
2.2 轮胎建模
虽然轮胎是整车模型的重要组成部分，但由于其强非线性特性，因此传统的有限元方法很难实现轮胎的准确建模。同时，轮胎有限元模型的自由度非常多，不适合用于整车路噪仿真。为了解决轮胎建模的困难，设计了轮胎试验台架，利用试验方法建立轮胎试验等效模型，同时可以考虑整车重量作用在轮胎上的预应力。
图3 试验轮胎台架示意图
2.3 悬挂减振器建模
由于悬挂减振器的阻尼效应很难通过有限元模型来模拟，为了克服该困难，通过试验方法辅助减振器建模。
图4 减振器测试台架
1）进行减振器模态测试，利用相关性分析及模型修正技术，修正减振器的有限元模型。
2）进行减振器传函测试，利用试验传函修正减振器有限元模型的阻尼参数。
2.4 悬挂系统建模
通过整合各部件的试验及仿真模型进行悬挂系统建模。
1）轮胎采用有预载荷的试验等效轮胎。
2）减振器采用有限元模型及试验等效阻尼。
3）副车架、悬臂、转向节等采用有限元模型。
4）衬套采用线性弹簧模型。
为了验证悬挂系统混合模型的建模精度，建立整车1/4悬挂试验台架，并进行传递函数测试，如下图所示。
图5 整车1/4悬挂试验台架
利用悬挂混合模型进行传递函数仿真，并与试验测试传递函数进行对比，仿真传函与试验传函高度吻合，验证了悬挂混合模型的建模精度。
图6 悬挂系统试验传函与仿真传函对比
2.5 转向系统建模
建立转向柱试验台架，利用其试验测试数据修正转向柱有限元模型精度，如下图所示。
图7 转向柱试验台架
同样的方式，分别对转向齿条以及方向盘进行有限元模型修正，然后将各个部件进行装配，建立转向系统的有限元模型，如下图所示。
图8 转向系统有限元模型
2.6 动力总成系统建模
动力总成包括发动机、减速器以及传统等部件，动力总成系统是影响路噪低频振动噪声的主要部件，这些部件主要通过其集中质量及惯性矩阵来表示。
2.7 整车装配体建模
将前后悬挂、转向系统、动力总成系统、轮胎系统、车身系统等部件仿真或者试验模型装配成整车的混合模型，如下图所示。
图9 整车的装配体混合模型
基于整车的装配体混合模型，仿真分析转向节到驾驶员耳侧噪声传递函数，并与整车实测数据进行对比，在20-400Hz范围内具有很好的相关性，说明整车的装配体混合模型具有较高的建模精度。
图10 转向节到驾驶员耳侧的试验-仿真传递函数对比
2.8 整车路噪仿真
将载荷识别得到的轮胎轮心载荷施加到整车混合模型上，计算实际工况下车内驾驶员耳侧的噪声，然后进行整车驾驶员耳侧噪声的实测，在20-400Hz范围内基于整车混合模型得到路噪频谱曲线的主要峰值、趋势与实测数据基本一致，如下图所示。
图11 驾驶员耳侧仿真与实测路噪对比
2.9 快速优化设计
建立整车混合模型的主要目的是获得一种进行车内路噪水平优化的有效方式。整车路噪的优化参数主要包括采用不同的悬置、修改副车架等部件的设计参数等等。一旦确定了路噪的优化方向，就可以利用优化算法进行自动优化设计，从而快速获取最优的设计方案。
3 结论
本项目基于某乘用车现有悬挂、转向系统的设计方案，采用Simcenter 3D混合建模方法进行整车路噪分析，实现了在车型早期设计阶段预测其实际路噪水平的目的。混合建模技术可以将设计阶段部件的有限元模型以及其上一代其它部件的试验数据组成混合模型，进行整车NVH性能预测。在本次整车路噪分析过程中，利用试验测试数据代替内饰车身模型，实现了中频段的路噪仿真，极大提高了仿真精度及效率，同时降低了计算资源。
实际上，该混合建模方法可以利用已有部件或者新设计部件所有可用的试验或者仿真信息，实现整车路噪水平的更准确评价，获得设计方案变更对整车路噪的影响趋势。在整个开发周期中，可以实现早期设计阶段整车路噪指标的精确预测，从而获取最佳的设计方案。
参考文献：Charles Gagliano, Andrea Martin, Jared Cox. A Hybrid Full Vehicle Model for Structure Borne Road Noise Prediction[J].SAE Paper,2005-01-2467
备注：如欲详细了解Simcenter 3D混合建模技术，请参考《虚实结合之Simcenter 3D 试验-仿真混合建模》一文。
