西门子工程咨询服务团队解决方案之SEA窄带谱仿真

在汽车行业，对于中高频的NVH（振动噪声）问题，我们经常使用SEA（统计能量法）来进行仿真分析。一般来说，当我们采用经典SEA的仿真方法时，最后给出的噪声曲线通常是1/3倍频程的形式。但近年来随着行业对中频NVH问题的关注越来越多、越来越细，中频NVH问题窄带谱显示的需求也与日俱增。

为了解决这个问题，西门子工程咨询团队依托于SEA+软件不断探索，并与国外多个主机厂合作实践，最终成功实践出一条基于VSEA法的中频窄带谱仿真技术路线，详见下图。

目前，统计能量法经过几十年的发展，从保守耦合、弱耦合逐渐向非保守耦合、强耦合突破拓展，采用的理论和方法工具也逐渐丰富，当前在工程实践中，主要有ASEA、ESEA和VSEA三种，这里重点介绍一下西门子采用的VSEA（虚拟SEA）方法。

在研发前期，由于没有物理样机，ESEA无法介入，这时为了提高ASEA的分析精度，我们一般会基于有限元模型来获取仿真模型中的各种参数。比如，我们可以基于有限元分析结果来进行子系统的划分、来获取系统传递能量矩阵，通过各子系统间的传递能量矩阵识别损耗矩阵，从而建立系统的SEA模型等等。

VSEA方法作为特定求解器在SEA+软件中实施，可减少FE模型的动态信息内容。求解器的输入是有限元结构模型结果，依靠NX NASTRAN提取在映射结构的一组有限参考节点（通常为1000到2000个节点）处导出的模态振幅，还支持像ABAQUS这样的备用FE 求解器。

接着，我们便可以基于模态结果进行传函计算，同时进行子系统的自动划分，并可向高频解析统计能量法延拓，从而保证模型在不同分析频率段的适用性，也减少了对工程师经验的过分依赖。

目前，在我们实际做项目时，从FE到VSEA的转换已逐步自动化，最短可以在几个小时内交付VSEA模型。

与其他SEA软件采用经典AESA方法不同的是，我们可以在VSEA中设置并输出中频NVH问题的窄带谱噪声曲线，从而解决客户的中频噪声痛点。

其工作原理可简单描述为：当外力矢量包含大量尖峰谐波时，计算每个 x、y 和 z 全局方向的窄带注入功率，并在求解响应估计之前在SEA 频带上对其进行积分。

3.1

案例1：带安装设备的夹芯板

支撑板 (1x1 m²) 是一个典型的航天器夹层结构，由两层 1 毫米厚的铝皮制成，由蜂窝铝芯保持 10 毫米的距离。

盒式设备通过四个连接点安装在板上，设备底板为与实体元素啮合，所有其他系统部件网格化。为了从有限元中识别 VSEA 参数，提取了高达2500Hz的有限元模型的113个实模。模态振幅如下图（左）所示，在746个参考节点处导出。为了进一步比较，在将模型直观划分为子系统之后，从头开始构建ASEA 模型，如下图（右）所示。

在设备顶部面板上施加点力，如下图，计算出子系统的1/3倍频程平均加速度，并对经典ASEA和来自VSEA的响应进行了比较。正如预期的那样，两种模型在2500Hz以上给出了相同的结果。在500Hz以下，系统表现为双子系统模型（完整设备和支持面板作为两个弱耦合子系统）。另外，VSEA相关的 PSD 加速度低于ASEA模型提供的预测加速度。这是因为：在ASEA中组件在整个频带上总是弱耦合，而VSEA 模型总是遵循有限元行为，即当频率增加时，设备的各个部分逐渐解耦。

接下来，我们设置并输出20Hz窄带谱的响应，并和1/3倍频程的结果做比较，见下图。从图中可以看出，在窄带中使用VSEA比在1/3倍频程中能捕获更多的结构动态特征。

其中，窄带谱和1/3倍频程的injected power区别如下：

3.2

案例2：整车的中频结构声

在Peugeot208汽车项目中，我们使用了SEA+建模，从车身的FEM开始，通过子结构自动转换为VSEA 模型，并添加内饰声腔等拓展模型，详见下图。该模型需覆盖中频范围，当低于1200Hz时,动态特性由VSEA参数完全描述，如模态密度、波数、质量、电导和 CLF等。从1200Hz及更高频率开始，通过主要拓扑定义子系统类型，使用解析SEA+计算模型参数，包括板、单或双曲壳、带或不带肋分布等，以便更好地评估动态刚度与频率的关系。

我们一般将裸白车身的阻尼评估为FE-FRF 模态合成中使用的平均值。声学饰件与BIW 的相互作用也在SEA+模型中进行了模拟，这可能会影响阻尼的值。所有预测计算均在10Hz窄带谱带宽（同合成FE-FRF的分辨率）中完成，用于验证在0-800Hz范围内再现振动声学响应详细频谱的能力。

下图显示了根据SEA模型预测的乘客耳朵处的声压级（绿色曲线），力沿 X 方向（车辆方向）施加在枢轴横梁上，将该压力水平与测量压力（红色曲线）以及主机厂的不确定性界限（蓝色曲线）进行比较。观察可知，VSEA预测基本遵循测量曲线，在400Hz附近观察到大约5dB的最大偏差，但仍处于界限内。

总结

综上所述，在中高频NVH问题中，我们可以基于有限元模型的模态结果，使用VSEA技术快速自动划分子结构进行计算，无需ESEA的物理样机，同时弥补了ASEA精度不足的问题。并且，除了可以计算一般的1/3倍频程结果外，我们还可以设置并输出窄带谱的响应结果，助力客户深入探索并解决中频NVH问题。