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异响仿真之神秘武器

2020-05-06 20:58:37·  来源：汽车异响BSR  作者：Polytec GmbH  
　
编者按：本文内容由德国Polytec GmbH公司（以下简称：Polytec）提供。中国汽车工程研究院股份有限公司（重庆）利用Polytec的激光测振仪进行异响仿真相关数据库的
编者按：本文内容由德国Polytec GmbH公司（以下简称：Polytec）提供。中国汽车工程研究院股份有限公司（重庆）利用Polytec的激光测振仪进行异响仿真相关数据库的建立，用来对车内关键内饰部件设计前期的异响性能仿真提供有力的数据支撑。
 
在汽车工业中，异响问题对客户满意度的影响日益重要。通常，一款新车在生产之前的验证阶段就进行异响测试。为在验证阶段减少异响问题的数量，就需要进行鲁棒性设计。为了项目设计“一次成功”，避免不必要的开发循环，需要使用一个综合的异响仿真工具。然而，在仿真工具有效使用之前，需要了解部件动态特性的正确表现形式。因此，使用3D激光扫描测振仪对每个内饰件进行动态特性测试以提高模态的相关性。3D激光测振仪测试数据结合仿真工具可帮助工程师更好的理解如何进行正确的车身内饰件设计以避免让人烦恼的异响。
 
简介
车内的异响是一个非常复杂的噪声现象，影响汽车的响异响数量的因素有很多，包括材料副、表面加工、装配、部件间相对位移、公差、路面载荷和生产装配。其中一个因素“相对位移”，与异响问题息息相关。因此，异响仿真时，重要的是关注两个相邻部件之间的相对运动。在一个普通车辆中，仪表板有着最复杂的内饰装配，为了避免异响问题，所有部件间的相对位移都需要进行控制。
 
参数定义
通过对仪表板详细地的研究，在仿真模型中需应用一些重要的参数，用来计算相对位移（如下图1），这些参数对于所有与异响仿真有关的内饰总成部件是非常有效的。其中，全局刚度对相对位移有重要的影响。 
 
图1 S&R仿真模型参数定义
其影响与内部安装点的数量和位置有很大的相关性。局部刚度和卡扣的刚度对相对位移也很重要。除刚度之外，局部几何形状和两个部件接触的部位，在仿真中也需要考虑。另外，施加的载荷对异响也有决定性的影响。载荷水平太低可能不会导致异响发生，载荷水平太高可能导致其他问题。因此，定义一个恰当的载荷是非常重要的，相对位移是仿真的输出结果，在全局坐标和局部坐标中进行处理。 
 
开发过程中会有不同类型的分析，这些分析的输出会根据内饰总成的细节程度来调整：
n 模态分析首先关注主要的结构件
n 由于结构变得越来越细化，可以利用瞬态分析来研究由脉冲载荷引起的整个结构件之间的相对移
n 最后，用频率响应分析结合其他分析软件在整个细化模型上进行异响仿真。测试的加速度数据作为输入载荷，“SAR line”方法用于解释几何形状的局部接触。
 
模态分析和模态相关性
 
如Opel Insignia这款车的仪表板是一个比较复杂的结构，包括了很多塑料件。相对于钢结构的白车身而言，材料数据(如杨氏模量) 和塑料部件的有限元不能很好地被定义。由于泡沫和衬垫与支撑结构构成一个复合体，所以不能利用材料供应商提供的数据直接进行仿真分析。为了提高仿真能力，因此，直接测试和模态相关性的工作就显得非常有必要。
 
利用加速度传感器测量来获取结构的全局的变形，如果相关性的主要结果是只有低阶模态可以正确的表示，而高阶模态却不相关，这说明塑料部件的数据必须考虑进行修改。在此过程中，该设备的特点主要体现在以下两个方面：
 
1.利用3D激光测振仪提高模态相关性
为提高全局和局部模态相关水平，使用了Polytec公司的3D激光扫描测振仪进行结构测试（图2）,该方法有两个显著的优点：第一，避免因使用相对较大的加速度传感器带来的质量载荷，结合测振仪可使用反光膜，可对轻型质量的内饰件进行测试；第二，可测量大量的测点，而使用单个加速度传感器测试的测点是有限的。 
 
 
相关性分析工作的初始结果清晰地表明，在局部上大大地提升线性仿真模型。可更好地理解如何在仿真模型中以最好的方式准确地连接部件。模型可使得用户在早期进行研究并反馈给设计工程师怎么以最有效的方式优化刚度，比如使用不同的安装点，或不同的材料（如利用玻璃纤维加强）。设计准则包括模态频率和模态振型的一致性。通过研究模态振型，加筋和加强的位置可以很容易的识别出来。由于模态分析可以在非常早的设计阶段开始，因此有足够的时间进行优化。
 
图2 3D激光扫描测振仪测试的仪表板ODS
2.激光测振仪是唯一可针对轻量化部件测试的设备
激光扫描测振仪可对轻量化的内饰件进行精确的振动测量。传统方法使用接触式的加速度传感器，其附加质量和刚度会影响部件的动态响应。图3显示的是Insignia的中控台内饰件的仿真模型和试验搭建。
 
 
图3 中控台仿真模型，夹具上待测的中控台内饰件
测试结果表示该部件第一次的位移测试已经完成，3D激光扫描测振仪结果导出成UNV格式的文件然后导入到LMS Test软件中提取特征模态。测试模态和计算模态都输入到LMS Virtual lab软件中进行模态相关性分析。这个比较简单的FE模型能够精确地显示出了该部件的动态特性。前10阶特征模态显示出了相当好的MAC值(模态置信因子)，甚至考虑了所有的测试点，均高于0.8 (见下表及图4)。
 
 
图4 模态相关性MAC值
总结
异响仿真的目的是为了尽可能精确地表达内饰结构的动态特性，将相对位移与实际的异响问题关联起来。模态相关性的结果表明线性仿真模型使用改进后的塑料材料数据能够准确计算最低的全局模态 (高阶模态相关性仍然较差)。这也使得模态分析成为一个强大的工具可以在早期阶段支持内饰设计。为了提高局部模态的相关性，可使用3D激光扫描测振仪对内饰件进行动态测试。
 
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