淺談汽車NVH結(jié)構仿真分析的理論及方法

淺談汽車NVH結(jié)構仿真分析的理論及方法摘要：本文介紹了汽車NVH性能開發(fā)工作的必要性，NVH直接影響汽車的開發(fā)周期和成本，以及車型在市場和用戶心目中的認可度，分析了車輛噪聲和振動相關的原理，可以更好地理解噪聲和振動的來源，列舉了汽車NVH分析的方法和工具，便于應用在降低振動和噪聲過程中，在提高讀者對汽車NVH的理解的同時，促進汽車NVH控制水平的提高。關鍵詞：NVH；噪聲；振動；模態(tài)分析；前言NVH則是對噪音(Noise)、振動(Vibration)與聲振粗糙度(Harshness)三種英文術語的簡稱,從三種角度對發(fā)動機可靠性做出了衡量。噪音、震動和舒適度直接關系客戶對車輛的感受,隨著生活水平的提升,人們越來越注重舒適,車輛NVH質(zhì)量會改變客戶的購車觀念以及汽車的市場競爭力。1汽車NVH開發(fā)必要性消費者選車過程中,不僅關注汽車的外形、配置、安全、動力性等因素,還偏好美觀時尚、靈動張揚,偏好大空間、少擁堵,偏好百公里加速度快,特別重視汽車聲振和舒適度。做好企業(yè)NVH的市場調(diào)查對于企業(yè)的NVH發(fā)展首當其沖,汽車企業(yè)是基于消費者對車輛NVH品質(zhì)的多樣化要求,而開發(fā)并制造滿足需要的汽車,避免生產(chǎn)出來產(chǎn)品需要反復修改和優(yōu)化,提高市場認可度。提高產(chǎn)品的市場針對性,節(jié)約車輛的研發(fā)制造周期。研發(fā)出優(yōu)秀的車輛NVH性能,可改善消費者的駕乘感受,更能反映車輛制造商開發(fā)實力與生產(chǎn)技術水平高低,直接影響市場銷量和車企生存能力。2NVH分析的原理汽車NVH具有復雜性和綜合性，涉及仿真分析、NVH性能開發(fā)以及NVH試驗等方面。汽車NVH是物理學(或是力學)應用于控制車輛系統(tǒng)的噪聲或振動行為，涉及的理論知識，主要包括聲學知識、振動知識、單自由度知識、多自由度知識、隔振知識以及模態(tài)知識等，開展計算機仿真分析時，需要有限元基礎理論。噪音就是使人覺得厭倦的噪聲，車輛的噪音主要分為風噪、路噪、胎噪、發(fā)電機及驅(qū)動的電器噪聲等，主要由頻段、幅度以及噪聲質(zhì)量決定。聲音質(zhì)量主要包含響度、音量、聲調(diào)、銳度、純音率、對音質(zhì)的控制，以及語言清晰度等幾個方面的技術指標。響度是指人對音質(zhì)的主觀感覺。而銳度則是指音響高頻部分和低頻成份之間的比例。而如果一個較高頻的人聲因遮蓋了其余高頻的人聲而聽得十分明顯，則稱為純音。震動，是指人體內(nèi)可以感覺到的物質(zhì)的運動，而駕乘人在車內(nèi)可以感覺到的震動，還有發(fā)電機及驅(qū)動電器振動、方向盤震動、汽車底盤振動、車體構架震動、機械連接件震動等，主要是根據(jù)震動的頻段、幅度和方位確定。聲振粗糙度指的是人們對震動和噪音的主觀感覺，是粗糙、刺耳、不和諧的感覺，是噪音與震動之間的綜合作用結(jié)果，與震動和噪音的瞬態(tài)特性密切相關，因此無法簡單地用客觀測量方法進行測量。車路噪音是指車輪和道路間不斷的沖擊和磨擦等作用，對車內(nèi)產(chǎn)生震動或噪音。從形成的機制分析，一般包括了結(jié)構噪音和空氣噪聲。結(jié)構噪音是指路面激勵通過的輪胎、底盤懸架和車身結(jié)構在車內(nèi)形成的中低頻噪聲?？諝庠肼曋饕窃谳喬ズ吐访嫔现g相互作用產(chǎn)生的噪聲通過空氣傳入車內(nèi)的中高頻噪聲。運用汽車轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)加速度反饋數(shù)據(jù)和模擬算法，確定了車輪中心力在測試部位的傳遞函數(shù)，從而獲取了車輪離心力作用參數(shù)，對車輛在特殊工況下產(chǎn)生的路噪現(xiàn)象進行了模擬計算分析和優(yōu)化。另外，空氣噪聲聲源還包括從引擎、變速箱等發(fā)射的噪音，從引擎及其連接的配件發(fā)射的噪音，例如風扇，進排氣噪音，還包括風噪?？諝庠肼曂高^汽車吸隔聲材料抵達汽車內(nèi)，并透過空隙和裂縫抵達汽車內(nèi)，從而產(chǎn)生汽車內(nèi)的震動或噪音。3NVH常用分析方法模態(tài)分析是深入研究體系動態(tài)特征的一類方法，通常使用于工程振動中，而模態(tài)分析又依據(jù)方法的差異，能夠分成數(shù)值模態(tài)分析和試驗模態(tài)解析。計算模式通常通過有限元求解的方式實現(xiàn)，每個階次都對應著一個模式，而每個階次都擁有自身特殊的速率、阻尼、以及模態(tài)系數(shù)。模態(tài)分析的主要目標在于確定出被測系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)據(jù)，為構造體系的振動特征研究、振動故障診斷與預測以及對系統(tǒng)動態(tài)特征的優(yōu)化設計奠定了基礎。例如，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計時，需要做模態(tài)分析，用來避免共振，導致方向盤出現(xiàn)較大的擺動，同時提高車輛穩(wěn)定性。剛性是指構件或建筑材料抗彈性變化的性能，而因為構件或建筑材料所承受壓力的差異，也可能引起靜載荷或動負荷，所以，剛性也包括了靜剛性和動剛性。靜剛度是指當建筑構件或材料受到靜載荷時，抵抗在靜載荷下產(chǎn)生的結(jié)構變化的力量。例如汽車白車身設計時，需要做靜剛度分析，用來評價白車身在車輛行駛過程中，抵抗變形的能力。動剛度是指結(jié)構或材料在動載荷下對抗變化的動能力，即為產(chǎn)生單元振幅所必須的動能力。而動剛性則可用結(jié)構的固定時間來度量，當動能化得很慢，或動能化的頻次遠遠低于結(jié)構的固定次數(shù)時，即可視為動剛度與靜止剛性一樣。而當移動力的頻譜與構造的固定頻譜相同時，則會發(fā)生共振問題，此時動剛度很小，或變化較大。所以，動剛度主要反映了構造抗預定向移動激擾功能強的特點。原點動剛度IPI在定義上類似于原點頻響函數(shù)，指的是在相同地點、同一個方向上的激勵應力和位移之比。作為車輛接附點處的原點自動剛度分析，包括對車輛在發(fā)動機懸置、副車架、前懸掛連接、排氣掛鉤部等地方的局部區(qū)域整體動態(tài)強度，考查的是你所關心的頻率范疇內(nèi)各接附點處局部整體地區(qū)的強度水準，過低則會產(chǎn)生更大的噪音。傳遞函數(shù)，是指在零的起始狀態(tài)下線性控制系統(tǒng)反饋(即輸入輸出)量的拉普拉斯變換(或z變換)與激發(fā)(即注入)量的拉普拉斯轉(zhuǎn)換之比。記作G(s)=Y(s)/U(s)，這里Y(s)、U(s)分開是輸入輸出量與注入量之間的拉普拉斯變換。而傳遞函數(shù)則是描述復雜直線控制系統(tǒng)中動態(tài)特征的最基本數(shù)理工具之一，經(jīng)典控制論的重要研究，頻率響應法和根軌跡法都是構建在轉(zhuǎn)換參數(shù)的基石上。整車設計時，一般都需要做振動傳遞函數(shù)VTF、噪聲傳遞函數(shù)NTF分析，避免影響后期整車的振動噪聲性能。傳遞路徑分析(TransferPathAnalysis)分析其實就是從"源-路徑-接受者"這三者進行識別和分析，常見的源有如路面、發(fā)動機或電機、冷卻風扇等等，路徑主要包括結(jié)構和聲學路徑，接受者主要是人的聽覺和觸覺(噪聲和振動等)。能對不同構件的震動噪音來源和傳播途徑進行劃分和排序，準確找出震動或噪音產(chǎn)生的原因，并廣泛應用到整機研發(fā)的全部過程中。4NVH常用結(jié)構分析軟件及流程在汽車NVH開發(fā)流程中，電腦仿真技術CAE起到了不可或缺的功能，能夠有效減少設計與試驗的反復，節(jié)約成本和開發(fā)周期。常用的計算模態(tài)分析軟件，較常用的有Ansys、Abaqus、Adams、HyperWorks等，通用的分析流程主要為導入數(shù)據(jù)，通過幾何清理、劃網(wǎng)格、約束和工況定義等前處理過程，再通過計算和結(jié)果后處理過程，流程如圖1所示，得出模態(tài)參數(shù)、靜剛度、動剛度、NTF、VTF等，指導整車及零部件設計和優(yōu)化，然后將計算結(jié)果與標桿車型進行對標，提升NVH性能。圖1仿真分析流程圖5結(jié)論根據(jù)對車輛NVH研究的需要，為了改善車輛NVH特性，必須限制其震動源和噪音源，并優(yōu)化產(chǎn)生