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虚实结合之Simcenter 3D 试验-仿真混合建模

2020-01-19 18:40:12·  来源：Simcenter 3D Online  作者：李海龙  
　
1前言数值仿真和物理试验是目前产品NVH设计的两大技术手段。物理试验的特点是试验技术比较直观、结果比较确定，但缺点是必须在具备实际物理样机的条件下才能进行
1 前言
 
数值仿真和物理试验是目前产品NVH设计的两大技术手段。物理试验的特点是试验技术比较直观、结果比较确定，但缺点是必须在具备实际物理样机的条件下才能进行，而且一般成本高、周期长；而数值仿真技术优势在于效率高、成本低、能够得到试验方法无法获得的信息，可以在设计前期不具备物理样机的情况下即开始应用，并有效的指导设计。
 
NVH行业内流行一句调侃，“没有试验支撑的仿真属于仿假”。因为很多情况下仿真模型存在一些不确定因素，需要与物理试验结合以提高数值仿真分析的精度。针对产品NVH设计过程中试验与仿真手段所面临的问题，西门子数字工业软件作为世界唯一一家同时具备NVH试验测试硬件与NVH仿真软件的供应商，独创性的将物理试验和仿真分析两种方法集成起来，开创性的提出了系统级NVH和混合建模技术，该技术可以充分发挥试验测试技术与仿真分析技术各自的优势，共同指导产品NVH设计，真正实现“试验-仿真两条腿走路”。
 
2 Simcenter3D 系统级NVH和混合建模技术
系统级NVH和混合建模是Simcenter3D最为独特的功能之一，所谓混合是试验与仿真的混合，即子系统既可以通过试验模型来描述也可以通过仿真模型来描述。混合建模充分利用了试验测试的快捷准确与仿真建模的灵活方便。对于无法获取CAD或CAE模型的子系统，可以用试验模型代替，既不影响系统分析又保护了技术秘密。试验模型描述的子系统，充分考虑了系统的阻尼与非线性，更为准确，数据量也更低，大大降低了仿真分析的计算规模。同时混合模型中的仿真模型又可以用于产品改进过程中的参数优化。
 
Simcenter3D系统级NVH和混合建模，首先，需要读入各部件试验测试或者有限元仿真的动力学模型；然后，在图形界面上交互式定义各部件之间的装配点，装配点可以通过刚性连接单元或者随频率变化的弹簧阻尼单元来模拟，从而将各部件模型装配成系统级的NVH模型；最后，导入试验测试或者仿真分析得到的载荷，基于传递函数或者模态的子结构综合技术，快速求解出系统级模型上的强迫振动（噪声）响应。Simcenter3D系统级NVH和混合建模技术完美地将试验与仿真结合起来，根据实际工程需要任意组合，充分发挥试验（准确快捷）和仿真（灵活方便）的优势并有效互补，极大提高系统级NVH仿真模型的实用性，实现NVH仿真试验有机结合。
Simcenter3D 系统级NVH和混合建模一般流程，如下图所示：
Simcenter3D系统级NVH和混合建模流程
LMS Virtual.Lab与Simcenter 3D混合建模功能技术对比
相较于上一代产品LMS Virtual.Lab中的混合建模技术只能实现模态&模态、传函&传函之间的混合建模，Simcenter 3D中的混合建模技术进一步增强，可以实现“试验模态、仿真模态、试验传函、仿真传函”任意组合的混合建模，工程适应性进一步增强。
 
 
Simcenter 3D系统级NVH和混合建模流程
3 技术优势
Simcenter 3D系统级NVH和混合建模技术优势主要包括以下几点：
  1）降低建模难度
对于某些部件，建立其有限元模型很困难，而试验手段取得该部件模态、传递函数等动态特性则很容易，这种情况下可以使用Simcenter 3D的混合建模技术，从而大幅降低NVH的建模难度。
2）改善仿真精度
由于Simcenter3D系统级NVH和混合建模过程中，有限元建模困难或者精确参数获取困难的部件利用试验测试数据来代替，因此极大改善了复杂模型的NVH仿真精度。
3）提高仿真效率
Simcenter 3D系统级NVH和混合建模过程中，复杂模型、大尺寸模型采用试验测试数据来代替，相较于全尺寸有限元仿真模型，试验测试数据的自由度极大降低，因此极大提高了系统级NVH模型的仿真效率。
4）提升仿真深度
Simcenter 3D 系统级NVH和混合建模技术，使的整车、整机等系统级NVH分析及优化成为可能，提升了系统级NVH模型的总体仿真深度。
仿真精度与仿真效率对比：
下面以某整车内场声学仿真为例，对全有限元建模与混合建模两种建模方法的仿真精度进行对比，发现采用两种方法得到仿真结果完全一致，验证了混合建模的仿真精度。
混合建模方法的仿真时间较全有限元模型的仿真时间减少了80%以上，说明混合建模方法可以极大提升仿真效率。
整车NVH仿真模型  
不同方法仿真精度对比
不同方法仿真效率对比
4 主要工程应用
1）新车型整车NVH开发
随着工业技术的逐渐成熟，各行业市场竞争日趋激烈，从而导致目前产品更新换代速度非常快。以汽车行业为例，各主机厂每年都要对其旗下车型进行改进设计，或更新换代，或中期改款，但为了延续车型的风格，通常汽车的外形、车身结构不会有大的变化，主要优化动力系统及底盘系统。
因此，Simcenter3D系统级NVH和混合建模技术特别适用于新车型早期的整车NVH开发，在新车型样车出现之前，可以利用如下思路进行整车NVH建模。
①对于不需要改进的白车身结构，可以利用上一代产品的NVH试验测试数据；
②对于需要改进的动力系统、底盘系统、转向系统等子系统，可以使用新设计方案的有限元模型；
③利用Simcenter 3D的混合建模技术，将试验仿真模型装配成整车系统级NVH模型，从而实现设计阶段快速、准确预测新车型的NVH性能。
新车型整车NVH开发建模流程
2）整车路噪仿真
路噪是汽车高速行驶过程中的一个主要噪声源，越来越多的受到各汽车主机厂以及轮胎等零部件供应商的关注。对于整车路噪仿真，涉及轮胎及内饰车身精确仿真建模困难、整车有限元模型计算量大等问题,导致整车路噪仿真不易实现。
Simcenter 3D整车路噪仿真建模流程
 
Simcenter3D系统级NVH和混合建模技术，可以完美的解决整车路噪仿真过程中所面临的建模困难及计算量大的问题。在Simcenter3D整车路噪仿真建模过程中，轮胎、内饰车身等部件可以采用真实的试验测试数据来代替；需要详细优化设计的副车架/转向架、悬置等系统，可以分别采用有限元仿真模型与弹簧阻尼单元来模拟；路面载荷可以采用基于试验数据的载荷识别技术得到，最后利用Simcenter3D系统级NVH和混合建模技术预测整车的路噪水平，并对副车架及悬置参数进行快速优化。
 
5 典型客户案例
 
泛亚汽车技术中心-基于混合建模技术进行后桥优化设计
 
泛亚汽车技术中心，利用Simcenter 3D中的混合建模技术，将后桥局部优化问题的整车分析模型进行简化，其中用传递函数代替整车内饰车身的详细有限元模型，底盘敏感部分用有限元模型描述，以此方式提升仿真优化效率，此方法同样适用于试验和CAE混合模型的建立及应用。
混合建模分析过程
 
简化模型如下图所示，按照实际连接关系将简化传递函数与有限元模型进行连接，混合建模与整车模型得到的分析结果匹配较好，115Hz峰值得到再现，计算时间只花费2分钟，以此模型为基础进行优化工作，大大提升了优化效率。
           建立简化模型            CAE初步分析结果
以简化模型为基础，分别得到了连接点衬套刚度优化、扭梁增加吸振器、扭梁本身结构优化等优化效果，每一轮分析均在5分钟以内可完成，大大减少了寻找方向的时间，如下图所示。
三种优化分析方向
最终优化效果
 
基于混合建模技术进行快速优化，使得多种方案的验证成为可能，通过多轮优化后，最终对后扭梁进行了结构修改。在整车模型中对最终方案进行了一轮仿真验证，结果发现新方案不仅使得路噪结果在关心频率降低了3dB，同时结构优化使得后悬架重量也降低2.5Kg，达到了CAE指导设计的目的。
 
在项目开发过程中，混合建模技术可以充分利用现有的仿真及试验数据，实现整车NVH快速分析及优化，预防、解决车型本身存在的问题，节省开发成本、缩短开发周期、提高整车NVH性能。
 
6 总结
Simcenter3D系统级NVH和混合建模技术将西门子数字工业软件多年成熟的工程测试技术与CAE仿真技术相结合，充分发挥了实物试验和虚拟仿真各自的优势，不仅使得仿真速度更快，而且使得仿真结果更加精确可靠。
Simcenter3D系统级NVH和混合建模技术的投资回报，不仅体现在产品更快地投放市场和节约开发费用等方面，而且体现在改进了产品质量，提出了新的产品开发模式。
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