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整车外场声学仿真挑战、方法及应用

2019-07-03 22:44:31·  来源：Simcenter 3D Online  作者：西门剑客之SC3Der  
　
整车外场噪声仿真背景提到整车NVH仿真，一般大家都会想到NTF、VTF、白车身、TB、SEA法等。这些绝大多数都是针对于汽车内场声学的，但随着对声品质需求和相关外场
整车外场噪声仿真背景
 
提到整车NVH仿真，一般大家都会想到NTF、VTF、白车身、TB、SEA法等。这些绝大多数都是针对于汽车内场声学的，但随着对声品质需求和相关外场噪声法规的要求逐渐提高，整车外场噪声也逐渐被国内外主机厂关注。
 
对于整车外场噪声，目前大多数主机厂还主要是采用试验的手段。对于乘用车来说，满足目前的外场通过噪声法规暂时没有压力，一般只做少量通过噪声法规验证性试验。但是随着通过噪声法规的逐渐严苛，对于新研发车型在通过噪声方面也会逐渐关注。在商用车的设计研发中，由于其本身功率大等特性，外场通过噪声一直是商用车NVH领域比较重要的方向。但对其研究手段大多数还是以试验为主，只有少数公司在开展相关仿真工作。对于新能源车的开发，虽然外场噪声降低，但为了保证行人安全，法规对于最低噪声量级也提出了要求。因此在新能源车设计中会引入主动发声装置，这也将是一个整车外场噪声设计优化的领域。
 
在车型研发早期引入仿真方法进行分析，将可以大大减少试验手段的周期和成本。所以，国内外汽车主机厂都在相继计划开展相关整车外场声学仿真工作。此外，在动力总成包裹覆盖设计、整车内声场响应时空气声的声载荷计算等问题也都可以迎刃而解。
图1 整车外场噪声需求
整车外场噪声仿真挑战
在汽车行业应用NVH仿真分析已经非常成熟，包括模态分析、传函分析、车内噪声响应分析等，所用的方法包括了声学有限元方法，声学边界元方法，统计能量方法等。但是整车外场噪声仿真由于其本身问题的特殊性将会遇到很大的挑战。其中包括：
  • 几何尺寸大
由于要建立整车模型，而不管是卡车还是轿车，整车尺寸都相对较大。为了保证模型可以把实际的汽车几何外形表征出来，所选取的网格尺寸不能太大，否则仿真模型会失真。
  • 计算频率范围宽
整车外场噪声需要涵盖从低频进排气轰鸣声到中高频轮胎及发动机辐射噪声，因此所涵盖的频率范围需要从几百Hz到几千Hz，为了满足高频噪声分析的精度，在进行网格划分时需要按照最高分析频率对应声波波长的1/6来进行划分。因此模型网格量和计算量都需求较高。
  • 计算频点多
在分析高频问题时，车内噪声响应我们可以采用统计能量方法并利用三分之一倍频程进行分析，得到对应频带的平均结果。但作为外场噪声分析，如通过噪声和行人警示音分析往往都需要进行时域贡献度分析和声品质分析。因此需采用固定带宽的窄带分析，这样可以计算规模也会加大。
图2 整车外场噪声仿真挑战
西门子整车外场噪声仿真方法
西门子Simcenter3D中集成的声学仿真工具继承了Virtual.Lab Acoustics中的声学有限元、声学边界元等功能，并与Nastran结构求解器完全结合，从不同应用角度提供了最专业的仿真分析手段。
图3 西门子整车外场噪声仿真方法
对于单个车的整车外场噪声分析，可以采用声学有限元方法。首先有限元方法在对应同等规模模型的求解效率要比声学边界元高，因此对应此类外场问题研究较适用。同时声学有限元法中可以对内饰材料进行精确建模。Simcenter 3D中的声学有限元方法集成了声学有限元自动匹配边界层技术（FEM-AML），声学网格仅需为外凸网格，声学网格内外表面之间只需少数几层就可以满足声学仿真计算要求，可以大大减少声学有限元网格量。同时Simcenter 3D中集成了自适应阶次声学有限元求解器（FEMAO），相比传统声学有限元求解器和其他声学有限元求解器总体求解时间可以大大缩短。
图4 西门子整车外场噪声仿真声学有限元法 
如果在外场噪声问题研究中需要考虑不同车之间交汇时的影响，如果要保证声学有限元网格是外凸的，网格量会非常巨大，因此在这个情况下建议采用高级边界元技术。在Simcenter 3D中集成了H-Matrix和FMBEM技术供选择。这两种技术分别针对不同的模型规模有更高的效率，这样可以使用户更加灵活的选择。
图5 西门子整车外场噪声仿真声学边界元法 
如果遇到超大规模模型，计算资源无法满足要求，Simcenter 3D这种将会有声线法提供帮助。声线法可以将声源等效为射线，采用射线声学的技术进行分析求解。而对于整车几何表征不再需要必须满足1/6波长要求的网格，只要保证能够表征几何外形就够了。
图6 西门子整车外场噪声仿真声线法
整车外场声学仿真应用
  • 通过噪声分析
整车通过噪声可以采用Simcenter3D声学有限元法进行声源与外部场点传函计算，结合声源测试和西门子Simcenter Test.Lab PBN-TPA/ASQ模块可以对通过噪声结果进行时域合成，图7 为相应整车通过噪声仿真流程。
图7 西门子整车通过噪声仿真流程
  • 行人警示音设计
行人警示音系统设计可以采用Simcenter3D声学有限元法/声线法进行扬声器位置和放置方向的多方案对比。图7为某主机厂外场噪声分析案例。
图8 行人警示音系统设计案例
  • 动力总成声学包裹/覆盖设计
对于发动机舱以及电驱动总成包裹覆盖材料的位置和材料组合方案的选取可以采用Simcenter 3D进行快速分析评估。图8 为某内饰厂商分析对比案例。
图9 发动机舱声学覆盖分析案例 
  • 外声场载荷计算
Simcenter 3D中声学有限元/边界元功能可以在产品开发前期进行用于声学包分析的声载荷计算。这样在新产品开发没有样车进行声载荷测试时也可以获取外部声载荷并用于内饰设计评估。同样的方法也可用于低频排气噪声对于车内噪声响应分析中。图10为声学包分析的声载荷计算流程。
图10 外声场载荷计算流程
 
 
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