西门子工程咨询服务团队解决方案之基于台架测试传函的NVH有限元轮胎

西门子工程咨询服务团队开发了一套先进的轮胎建模方法，可以将该轮胎模型集成至整车模型中进行诸如路噪等噪声的优化。此方法可以精确仿真预测车辆的车身和悬挂等修改带来的车内噪声振动的变化。另外，还可以针对轮胎模型进行优化，将轮胎模型提升至更高模型等级。这些都可以根据客户的要求和期望进行服务定制。 

说起路噪，上一期路先生的文章 “西门子工程咨询服务团队解决方案之车辆路面激励噪声（路噪）”中已经进行了详细的阐述。那么路噪的关键是由于轮胎与路面接触而引发的噪音。从工程学的角度来看，这个轮胎胎面位置的局部变形会引起轮胎及轮辋的振动，然后通过悬架车身等机构传递到车内乘客耳旁。这对路噪声来说是一个非常关键的影响因素，尤其在粗糙路面，变形会加剧，车内噪声表现会变得更差。

那么，开展更高层级的整车道路噪声仿真优化分析，可根据实际需求及客户的意愿聚焦于不同的应用层级。一方面，集成NVH有限元轮胎模型于整车模型中，在轮胎接地面处施加位移或力激励，成功的构建真实的整车路噪激励驱动系统，通过调整车身、悬架等参数对路径进行优化。另一方面，轮胎模型自身也可以作为一个可调参数模型，轮胎的特性也可以进行改变，有助于获取更全面的路噪分析结果。

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这里我们将该轮胎模型称为‘基于台架测试传函的NVH有限元轮胎’。该轮胎模型能给我们带来什么收获呢？

✔ 具有NVH代表性的轮胎有限元模型

✔ 集成测试获取的轮胎特性到整车系统仿真模型中；

✔ 分析关键路噪贡献，识别最佳轮胎设计修改；

✔ 在第一套轮胎样件出来之前，提前进行路噪性能优化，减少花在测试和trouble shooting 上的时间及资金成本；

✔ 可供OEM及Tire Manufacturer之间模型及数据有效交换

1轮胎测试台架搭建

首先我们需要搭建一个轮胎传函测试台架，这套台架系统目前西门子已经成功的引入并应用到国内主机厂。台架组成简单来说就是由轮胎，滑轮系统，弹性绳系统，张力绳系统，张紧系统及各种配套的测试软硬件设备，Simcenter minishaker激振器等构成，具备占地空间不大，施工周期短，易复制等优点。

2轮胎传函特性测试

轮胎台架能够实现真实载荷预加载，在非旋转静置的固定/自由的约束状态下进行试验。频率响应函数(FRF)测量，包括激振器和/或锤激励，使您能够获得所有必要的数据来描述从轮胎接地面到轮辋中心的传递特性。

轮心激励测试轮胎传函（Fixed-free固定方式）

实际测试过程中，受几何空间、结构特征的限制，我们能够直接获取的往往并不是轮胎接地中心到轮辋中心的传递特性，而是其周边测点的传递特性，如下图示意。因此需要在Simcenter™Testlab™软件中基于几何坐标信息将测试所得数据进行虚拟测点转换，又称VPT（Virtual Point Transformation）。

VPT技术测点示意

经过转换之后，我们就可以获取精准连接点位置，即接地面到轮心的6自由度传递特性及原点特性，下图所示示例为经过转换之后的传函结果。

         轮心局部原点传函 

轮胎接地面到轮心传函

3匹配实测特性优化生成NVH 有限元轮胎

在NVH有限元轮胎模型中，轮胎动力学特性通过一组概念参数描述，用户可以调整及改变这些参数。整个特性匹配及模型优化生成的过程是通过Simcenter™3D软件来组装生成详细的有限元(FE)轮胎模型，该模型具有与NVH强相关的主要几何和材料参数集(例如，胎面或胎侧刚度等关键参数)。结合NX™Nastran®软件和Simcenter™Heeds软件将这些参数自动调优以尽可能接近地匹配实测的轮胎传递特性。最终自动输出匹配传递特性的轮胎有限元模型。

总的来说，基于台架测试传函的NVH有限元轮胎模型的创建分为三大主要步骤：

✔ 轮胎台架测试，采用接地面固定，轮心自由的约束方式，输出轮胎的传函特性矩阵；

✔ 进行初始模型创建与参数优化，再通过Simcenter™Heeds快速整合优化来趋近传函实测值；

✔ 查验对标结果并输出模型 

4 轮胎模型集成至整车模型

当然，Simcenter的轮胎模型有很多种，诸如CD tire，MF tire，F-tire等。用户可以根据不同的需求来定制。这里我们提到的有限元轮胎主要针对NVH，尤其是整车路噪仿真分析。NVH有限元轮胎模型的引入，构建了一个完整的具有道路噪声所有相关子系统的车辆模型:车身、悬挂和轮胎，路面激励驱动模型，对整车的性能进行不同种类的分析预测，如路噪响应分析、弱点分析、贡献排序等等，提出设计改进意见。这对于整车模型的完整及整车NVH特性的复现与优化都有着巨大的推进作用。

5总结

通过以上宏观的介绍，您可以对轮胎测试台架搭建、轮胎NVH传递特性测试、轮胎模型集成、整车仿真分析有了大致了解。西门子工程咨询服务应用面较广，从零部件级解决方案（包括轮胎台架技术转移，轮胎相关的性能测试，虚拟的轮胎模型等），以及整车级测试与仿真解决方案，再到仿真测试联合工程全面覆盖，为卓越的车辆NVH性能保驾护航。