本文闡述了在轎車開發(fā)過程中，如何應(yīng)用CAE分析技術(shù)提高整車的NVH性能，并運(yùn)用CAE技術(shù)對某轎車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)?；跀?shù)模建立有限元模型后，用CDH/AMLS軟件結(jié)合NASTRAN軟件計(jì)算了車體及車室內(nèi)流體固有模態(tài)，運(yùn)用流固耦合技術(shù)獲得激勵下的車體振動及車室內(nèi)聲學(xué)特性結(jié)果，用CDH/VAO軟件對車身結(jié)構(gòu)不合理之處進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了滿足目標(biāo)要求的NVH性能。

相對于CAE在車身強(qiáng)度、剛度領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，NVH的CAE技術(shù)在中國起步比較晚，NVH的建模方法以及計(jì)算方法還處于摸索階段。但隨著計(jì)算機(jī)的能力及容量的越來越強(qiáng)大，軟件技術(shù)的成熟，計(jì)算結(jié)果的精度越來越高，計(jì)算方法越來越科學(xué)，CAE在汽車的NVH開發(fā)設(shè)計(jì)當(dāng)中所發(fā)揮的作用也越來越大。在汽車開發(fā)設(shè)計(jì)的初期，就已經(jīng)開始了NVH的各項(xiàng)規(guī)劃，甚至在樣車完成之前或設(shè)計(jì)圖紙完成之前，通過對現(xiàn)有車型的對比，就可以預(yù)先得到新開發(fā)車型的NVH性能指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上，對設(shè)計(jì)的各個環(huán)節(jié)加以優(yōu)化及完善。無論是從設(shè)計(jì)成本上，還是從開發(fā)周期上考慮，都為車廠更快、更好地開發(fā)出新一代車型來提供了強(qiáng)有力的保障?？梢灶A(yù)測，NVH的CAE技術(shù)，在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)及改進(jìn)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用會越來越廣泛，而其本身也會越來越成熟，成為人們進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)開發(fā)所不可或缺的工具[1,3]。

對白車身進(jìn)行模態(tài)分析，求得結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而了解結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。獲得車身的模態(tài)有試驗(yàn)和有限元計(jì)算兩種方法。而在樣車制造出來這前，有限元法是最常用的一種方法，根據(jù)目前成熟的軟件以及對材料物理特性知識的掌握，利用有限元法計(jì)算得到的車身模態(tài)值，與試驗(yàn)測試結(jié)果相比，可以控制5%的誤差范圍內(nèi)[1]。我們采用NASTRAN軟件配合CDH/AMLS軟件，后者可以在保證精度的前提下加速模態(tài)計(jì)算[2]。模態(tài)計(jì)算后結(jié)果評價(jià)的過程中，評價(jià)的目標(biāo)值來源于參考車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及CAE分析結(jié)果，開發(fā)車級別以及競爭車型的相關(guān)數(shù)據(jù)，并與廠商協(xié)商后最終確定值。白車身有限元模型如圖1所示，固有頻率和對應(yīng)振型如表1所示，車身一階扭轉(zhuǎn)如圖2所示，車身一階彎曲如圖3所示。

 圖1  白車身有限元模型 

表1                                       白車身固有頻率值

圖2  白車身一階扭轉(zhuǎn)振型圖

圖3  白車身一階彎曲振型圖

車身的設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)傳遞噪聲十分重要。車身所受各種激勵引起的結(jié)構(gòu)振動和結(jié)構(gòu)噪聲的特性直接表明車身設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。好的車身支撐點(diǎn)的激勵敏感度低，即激勵力引起的振動和噪聲的響應(yīng)值低[1]。研究整車的結(jié)構(gòu)振動和噪聲最關(guān)心的一個問題是在懸置處的減振效果，或激勵力傳遞的衰減量。

3.1 計(jì)算用模型

振動分析所使用的模型是在白車身的基礎(chǔ)上，增加了車門、發(fā)動機(jī)罩蓋、尾門、油箱、方向盤、內(nèi)飾件及集中質(zhì)量等模型。其中集中質(zhì)量用來模擬一些在建模過程中忽略的元件，如配線、電機(jī)、小的支架等，如下圖4所示。

  圖4  振動分析有限元模型  

3.2 激振力

引起整車振動和噪聲的激勵力很多，分布在整車各處。其中尤其以發(fā)動機(jī)和輪胎作為激振動力源傳來的激振力為主。而激振力的大小又非常復(fù)雜，難以測定。為建立一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在CAE計(jì)算時(shí)，通常采用在相關(guān)位置輸入某特定大小的激振力作為載荷輸入，計(jì)算出各個評價(jià)點(diǎn)的響應(yīng)，以此來評價(jià)一部車的NVH特性。

3.3 評價(jià)點(diǎn)

響應(yīng)點(diǎn)共分三組，如表2所示：

表2三組評價(jià)點(diǎn)位置說明

3.4 計(jì)算結(jié)果

車身鋼板在激振力作用下產(chǎn)生強(qiáng)迫振動響應(yīng)，其振動加速度A與激振力F的比值定義為結(jié)構(gòu)板的導(dǎo)納響應(yīng)傳遞函數(shù)Y。此函數(shù)Y是頻率的函數(shù)，而且是復(fù)數(shù)，振動響應(yīng)曲線如圖5所示，其中縱軸單位：導(dǎo)納（（m/s2）/N）；橫軸單位：頻率（Hz）。

圖5  評價(jià)點(diǎn)振動響應(yīng)曲線

3.5 對結(jié)果的評價(jià)

    車身的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率一定要與之相連的系統(tǒng)的模態(tài)頻率分開，如排氣系統(tǒng)、傳動軸、懸架系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)等,否則兩個系統(tǒng)之間會發(fā)生共振，比如排氣系統(tǒng)的模態(tài)頻率就不能與車身模態(tài)頻率一樣。在車身設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)振動的靈敏度非常重要。與車身相連接的系統(tǒng)要盡可能地安裝在車身靈敏度低的地方。車外各種激勵引起的結(jié)構(gòu)振動和結(jié)構(gòu)噪聲的特性直接表明車身設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

對于各個評價(jià)點(diǎn)的振動特性的評價(jià)，一般是著眼于兩點(diǎn)。一點(diǎn)是整體的振動加速度導(dǎo)納值不超過最大目標(biāo)設(shè)定值，此目標(biāo)根據(jù)參考車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及CAE分析結(jié)果，開發(fā)車級別以及競爭車型的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，另一點(diǎn)是導(dǎo)納函數(shù)曲線光滑，無明顯的峰值。

4.1 計(jì)算所用結(jié)構(gòu)和聲腔模型

聲固耦合模型，如圖6所示。

    車室內(nèi)的空氣處于一個相對密閉的空間，對車身結(jié)構(gòu)在低頻時(shí)具有很強(qiáng)的耦合性。密閉空腔內(nèi)的空氣，如果受到壓縮，就會產(chǎn)生體積變化，展現(xiàn)出很高的阻抗，與車身結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合作用。此時(shí)，不但聲場響應(yīng)的計(jì)算需要考慮車身結(jié)構(gòu)振動，車身結(jié)構(gòu)振動的計(jì)算也必須考慮聲腔模態(tài)。

    基于以上的原理，在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，在車身結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，加入了車室內(nèi)空氣的模型。利用流固耦合方法對車室內(nèi)噪聲傳遞靈敏度進(jìn)行預(yù)測計(jì)算。流-固耦合分析法廣泛用于聲學(xué)和噪音控制領(lǐng)域中，如發(fā)動機(jī)噪聲控制、汽車車內(nèi)噪聲控制和飛機(jī)客艙內(nèi)的聲場分布控制和研究等。分析過程中，利用直接法和模態(tài)法進(jìn)行動力響應(yīng)分析。根據(jù)車內(nèi)空間聲學(xué)模型和車身結(jié)構(gòu)模型求得車內(nèi)聲學(xué)模態(tài)頻率及其振型，以及車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率及其振型。利用這樣的模型，可以研究車身板件振動對車內(nèi)聲場特性的影響、車身振動模態(tài)對車內(nèi)聲場的模態(tài)靈敏度等。

 圖6      車內(nèi)噪聲分析所用有限元模型  

4.2 評價(jià)點(diǎn)

因?yàn)檎駝雍驮胍糁饕墙o駕駛者和乘客帶來不良感覺的物理現(xiàn)象，所以評價(jià)點(diǎn)選擇在人體容易感知的部位，如圖7所示。

圖7  聲學(xué)分析響應(yīng)點(diǎn)位置圖

4.3 載荷

    與車體怠速振動響應(yīng)計(jì)算相同，在某一特定位置輸入特定大小的激振力。

4.4 計(jì)算結(jié)果

各個響應(yīng)點(diǎn)的聲學(xué)靈敏度曲線如圖8所示。

圖 8  各響應(yīng)點(diǎn)聲學(xué)靈敏度曲線

4.5 對結(jié)果的評價(jià)

對車室內(nèi)聲場響應(yīng)的評價(jià)如上圖中所示的Target線，該目標(biāo)曲線的設(shè)定原則同上。好的車身結(jié)構(gòu)其車內(nèi)聲場的計(jì)算結(jié)果應(yīng)居于該線之下，且曲線走勢平緩，沒有明顯的突出峰值。從上圖中可以看出，如紅色橢圓線圍起來處所示，在某特定的頻率下，車室內(nèi)音響評價(jià)點(diǎn)處的聲音級別超出基準(zhǔn)線。這說明車身的設(shè)計(jì)有不合理之處，造成了車室內(nèi)音響感度超標(biāo)，必須要對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.6 對車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

基于對車室內(nèi)音響特性的分析，找出對車室內(nèi)音響貢獻(xiàn)量最大的結(jié)構(gòu)位置。在此，我們使用了德國CDH公司開發(fā)的一款噪聲分析及優(yōu)化軟件：CDH/VAO。

CDH/VAO是一款用于解決大型結(jié)構(gòu)動學(xué)分析的交互式工程軟件。用戶可以借助此軟件快速地評估目標(biāo)設(shè)計(jì)值變化引起的結(jié)構(gòu)聲學(xué)響應(yīng)的變化，也可以自動地預(yù)測出設(shè)計(jì)參數(shù)的范圍，以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化[4]。此軟件利用模態(tài)修正矩陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而一個CAE軟件的計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的精度，主要決定于解法庫[5]，相比傳統(tǒng)的模態(tài)方法更為有效和省時(shí)。該軟件可以提供以下的分析，如圖9所示。

a 使用模態(tài)修正方法進(jìn)行快速的頻率響應(yīng)分析。

b 能量分析：復(fù)雜的應(yīng)變能和動能分析，等效輻射能量分析。

c 聲學(xué)分析，板件貢獻(xiàn)量分析。

d 瞬態(tài)分析，直接的FFT分析，對非線性單元的支持。

4.6.1 車室內(nèi)鈑金件對室內(nèi)音響的貢獻(xiàn)量分析

通過對計(jì)算結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)音響靈敏度超過基準(zhǔn)線的位置有156Hz和180Hz兩處。針對這兩個頻率點(diǎn)，對車室內(nèi)鈑金件的貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析，如圖10、圖11所示。

圖11  位置2的音響感度分析結(jié)果

從以上的分析結(jié)果來看，在156Hz和180Hz附近，有兩處室內(nèi)聲壓的峰值。這和之前的計(jì)算結(jié)果很一致。上圖的分析結(jié)果結(jié)合總能量分析圖和各子結(jié)構(gòu)能量分析圖，可以得出結(jié)論，防火墻對車室內(nèi)的聲壓貢獻(xiàn)量最大。下圖12所示為模型總能量分析圖。

 圖12      模型總能量分析圖 

4.6.2 車身結(jié)構(gòu)的振型分析

從車室內(nèi)音響貢獻(xiàn)量的分析結(jié)果中得知，防火墻對車室內(nèi)的聲壓貢獻(xiàn)量最大，也就是說，由于防火墻附近的共振造成了車室內(nèi)音響的最大峰值。當(dāng)目標(biāo)縮小到防火墻這個件上時(shí)，還需要進(jìn)一步分析，以找出在特定共振頻率下防火墻的振型，才能據(jù)此對防火墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在此，使用VAO進(jìn)行了車身在156Hz和180Hz時(shí)的振型分析，分別如圖13、圖14所示。

圖13  優(yōu)化前156Hz處車身振型

圖14  優(yōu)化前180Hz處車身振型

4.6.3 基于分析的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在上述的車身結(jié)構(gòu)振型圖中，紅色區(qū)域是振動能量較大的地方，也就是說，是該處的局部共振，造成了車室內(nèi)的音響峰值。需要對該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以提高該處的剛度及固有頻率。采用CDH/VAO軟件的子結(jié)構(gòu)修改功能，即通過模態(tài)修正矩陣方法快速預(yù)測修改部位對車內(nèi)噪聲的影響，可以大大的節(jié)省計(jì)算時(shí)間成本。改進(jìn)措施如圖15所示。

    結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法就是在板件的共振區(qū)域處，合理增加加強(qiáng)筋，提高局部剛度，錯開共振頻率。

圖15  車身某部位改進(jìn)示圖

4.6.4 改進(jìn)效果

從圖16、圖17和圖18中可以看出，經(jīng)過車身的結(jié)構(gòu)更改后，評價(jià)點(diǎn)的音響感度值均已經(jīng)達(dá)到了基準(zhǔn)線以下，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。說明對車身結(jié)構(gòu)的更改是有效的。改進(jìn)前后的部分響應(yīng)結(jié)果對比，如表3所示。

圖16  優(yōu)化后各響應(yīng)點(diǎn)聲學(xué)靈敏度曲線

圖17  優(yōu)化后152Hz處車身振型  

   圖18  優(yōu)化后180Hz處車身振型

表3  改進(jìn)前后響應(yīng)結(jié)果對比

本文著重從三方面闡述了CAE在轎車NVH設(shè)計(jì)開發(fā)及優(yōu)化中的應(yīng)用，即模態(tài)分析、振動分析和車內(nèi)噪聲分析。CDH/AMLS軟件參與NASTRAN模態(tài)計(jì)算和響應(yīng)計(jì)算，在保證精度的前提下很大幅度地提高了計(jì)算的速度，CDH/VAO軟件在振動分析和車內(nèi)噪聲優(yōu)化分析中起到了關(guān)鍵性的作用，便于快速地找出貢獻(xiàn)量最大、能量較集中的子結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的解法庫，使得工程師免于等待再次計(jì)算的漫長過程。對于車內(nèi)噪聲優(yōu)化，需要反復(fù)的推敲對比每個修改的效果，從而得出最合理的修改方。