基于C#.NET的NVH動(dòng)剛度及傳函分析后處理效率提升研究

蘭斌旋　常光寶　李書(shū)陽(yáng)　梁靜強(qiáng)

【摘 要】針對(duì)NVH動(dòng)剛度及傳函分析后處理工作重復(fù)操作多、耗費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情況，文章提出了基于C#.NET開(kāi)發(fā)軟件提高后處理效率的解決方案。通過(guò)分析后處理需求，使用C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、visual studio 2012作為開(kāi)發(fā)工具完成軟件開(kāi)發(fā)。通過(guò)測(cè)試，開(kāi)發(fā)的后處理軟件能夠在1 min內(nèi)快速地完成原先需數(shù)小時(shí)的后處理工作。通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)剛度及傳函分析后處理自動(dòng)化，達(dá)到縮短分析周期和提升工作效率的目的。

【關(guān)鍵詞】NVH后處理；C#.NET；動(dòng)剛度；噪聲傳函；振動(dòng)傳函

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP311.11 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）02-0100-05

0 引言

隨著用戶對(duì)汽車(chē)噪聲、振動(dòng)和舒適性方面的性能要求越來(lái)越高，車(chē)企對(duì)NVH分析的重視度也隨之提高[1-2]。CAE分析流程可以分為3個(gè)階段：前處理、分析計(jì)算、后處理。其中，后處理是對(duì)分析結(jié)算結(jié)果進(jìn)行分析、整理、歸納的過(guò)程。后處理存在很多重復(fù)性勞動(dòng)，浪費(fèi)大量時(shí)間，分析效率低下，常占整個(gè)CAE分析工作量比重的20%～40%，甚至更多。計(jì)算結(jié)果通常是一堆海量的數(shù)據(jù)，很難直觀地理解數(shù)據(jù)代表的意義，通常需要接觸類(lèi)似Hyperview等后處理軟件進(jìn)行結(jié)果的整理和顯示[3-4]。不少企業(yè)常通過(guò)Hyperworks、ABAQus等CAE軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果后處理的自動(dòng)化[5-6]。

NVH分析屬于CAE分析范疇，但相比較于其他CAE分析，后處理工作量往往要大很多，特別是NVH中的動(dòng)剛度分析和傳函分析。通過(guò)解析分析計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和后處理需求，本文提出了不借助CAE平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)，而是基于C#.NET技術(shù)開(kāi)發(fā)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)后處理自動(dòng)化的解決方案。

1 分析后處理需求分析

1.1 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

動(dòng)剛度及傳函分析經(jīng)過(guò)Radioss、Nastran等計(jì)算軟件計(jì)算后一般得到的是“.pch”格式的數(shù)據(jù)結(jié)果，數(shù)據(jù)可通過(guò)文本編輯器打開(kāi)。頻響類(lèi)分析計(jì)算結(jié)果為各工況下，不同響應(yīng)點(diǎn)在不同頻率激勵(lì)下的響應(yīng)值的集合。圖1為打開(kāi)某個(gè)結(jié)果文件的截圖，通過(guò)分析可以清晰地看到結(jié)果文件的規(guī)律性。

（1）數(shù)據(jù)按照工況ID和響應(yīng)點(diǎn)ID組合進(jìn)行分組（圖1中第1—1207行為一組數(shù)據(jù)）。

（2）每組數(shù)據(jù)前7行表明了工況ID、響應(yīng)點(diǎn)ID、數(shù)據(jù)類(lèi)型等信息。

（3）每組數(shù)據(jù)第8行開(kāi)始到結(jié)尾為各頻率下的響應(yīng)值（圖1中第8—1207行為300個(gè)頻率值對(duì)應(yīng)的300組響應(yīng)數(shù)值）。

（4）輸出的響應(yīng)值類(lèi)型有位移、加速度、速度3種。

因此，計(jì)算結(jié)果其實(shí)就是在工況、響應(yīng)點(diǎn)、頻率3個(gè)影響因子下的響應(yīng)值集合。

1.2 分析后處理[7-8]

動(dòng)剛度分析、振動(dòng)傳函分析、噪聲傳函分析是常見(jiàn)的整車(chē)NVH分析，本文將對(duì)這3種分析后處理做需求分析并實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)。

1.2.1 動(dòng)剛度分析

對(duì)于線性系統(tǒng)，用施加在系統(tǒng)上的力除以位移，即得到剛度。剛度是系統(tǒng)的固有特征，與外界施加力和響應(yīng)沒(méi)有關(guān)系，即靜止?fàn)顟B(tài)就存在，所以稱(chēng)之為“靜剛度”。在外力作用下，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)起來(lái)，其剛度特性隨著輸入的頻率而發(fā)生變化。此時(shí)，剛度是隨著頻率而變化的，它不是一個(gè)固定值，此時(shí)的剛度稱(chēng)為動(dòng)剛度。動(dòng)剛度取決于系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和靜剛度。

動(dòng)剛度結(jié)果后處理要求：運(yùn)用1/3倍頻法獲取所有響應(yīng)點(diǎn)的動(dòng)剛度值；輸出所有響應(yīng)點(diǎn)的頻率響應(yīng)曲線。

1.2.2 振動(dòng)傳函和噪聲傳函分析

對(duì)于任何一個(gè)系統(tǒng)，施加了輸入，就會(huì)得到輸出。輸入常被稱(chēng)為激勵(lì)，輸出被稱(chēng)為響應(yīng)。對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或聲學(xué)系統(tǒng)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是頻率的函數(shù)。傳遞函數(shù)定義為輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比值，也是頻率的函數(shù)，它表征了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的固有特征，即每個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)都存在傳遞函數(shù)。

振動(dòng)傳遞函數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)VTF，是指車(chē)內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)與車(chē)身上受到激勵(lì)力的比值。噪聲傳遞函數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)NTF，是值車(chē)內(nèi)噪聲相應(yīng)與車(chē)身上受激勵(lì)力的比值。聲學(xué)上常用對(duì)數(shù)坐標(biāo)衡量聲壓，以聲壓級(jí)SPL表示：

SPL=20Log（位移響應(yīng)值×1011/2）dB

傳函分析結(jié)果后處理要求：所有工況下，各響應(yīng)點(diǎn)在指定頻率范圍內(nèi)的傳函極大值及對(duì)應(yīng)的頻率。所有工況下，各響應(yīng)點(diǎn)的頻率響應(yīng)曲線。其中，振動(dòng)函數(shù)極大值從響應(yīng)點(diǎn)速度值集合中取值；而噪聲傳函極大值從響應(yīng)點(diǎn)位移值集合中取值，且數(shù)值需通過(guò)聲壓級(jí)函數(shù)轉(zhuǎn)換。

2 主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)

2.1 C#.NET

C#是一種精確、簡(jiǎn)單、類(lèi)型安全、面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，它使企業(yè)程序員得以構(gòu)建廣泛的應(yīng)用程序。C#還憑借以下功能，提供了生成持久系統(tǒng)級(jí)組件的能力[9]。

.NET框架類(lèi)庫(kù)是一個(gè)由Miscrosoft.NET框架SDK中包含的類(lèi)、接口和值類(lèi)型組成的庫(kù)。該庫(kù)提供對(duì)系統(tǒng)功能的訪問(wèn)，并且被設(shè)計(jì)為NET框架應(yīng)用程序、組建和控件的生成基礎(chǔ)。若要使用接口的功能，既可以創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)接口的類(lèi)，也可以從某個(gè)實(shí)現(xiàn)接口的.NET框架類(lèi)中派生類(lèi)。

2.2 NPOI

所謂NPOI是POI項(xiàng)目的.NET版本，可以從網(wǎng)上下載到它的最新版本[10]。NPOI的功能非常強(qiáng)大，不僅能創(chuàng)建Excel文件，而且能更深入地執(zhí)行Excel文件的各種操作[11]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 框架設(shè)計(jì)

軟件框架設(shè)計(jì)圖如圖2所示。其中，NVH類(lèi)庫(kù)為軟件開(kāi)發(fā)成功的核心要素。NVH類(lèi)庫(kù)包含了從頻響類(lèi)分析需求中抽象出的點(diǎn)類(lèi)和后處理方法類(lèi)。使用NVH類(lèi)庫(kù)的好處是它能支持通過(guò)B/S模式和C/S模式的軟件系統(tǒng)。不管是Web應(yīng)用程序還是winform應(yīng)用程序，都能夠非常方便地添加NVH類(lèi)庫(kù)，通過(guò)類(lèi)庫(kù)提供的函數(shù)接口，即可實(shí)現(xiàn)軟件后處理的功能。在軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，還會(huì)經(jīng)常用到一些通用輔助類(lèi)和方法，如數(shù)據(jù)讀取類(lèi)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類(lèi)、Excel操作類(lèi)等。本軟件框架通過(guò)對(duì)通用類(lèi)（Utils）的引用，可將開(kāi)發(fā)過(guò)程中積累的方法快速運(yùn)用到項(xiàng)目中，提升代碼復(fù)用。

3.2 抽象出NVH類(lèi)

根據(jù)對(duì)需求分析可知，該類(lèi)計(jì)算結(jié)果后處理過(guò)程大致如圖3所示，后處理的過(guò)程數(shù)據(jù)為各類(lèi)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集合，這些數(shù)據(jù)集合可以通過(guò)C#語(yǔ)言抽象出對(duì)應(yīng)的類(lèi)，使過(guò)程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰。

3.2.1 NVH基礎(chǔ)點(diǎn)類(lèi)（BasicPoint）

通過(guò)對(duì)計(jì)算文件分析得知計(jì)算結(jié)果可以看成是在工況、響應(yīng)點(diǎn)、頻率影響下的點(diǎn)集合，在此稱(chēng)該類(lèi)點(diǎn)為基礎(chǔ)點(diǎn)。通過(guò)C#類(lèi)將基礎(chǔ)點(diǎn)抽象為BasicPoint類(lèi)，代碼如下：

public class BasicPoint

{

public int PointIndex { get； set； }//序號(hào)，唯一性，用于識(shí)別點(diǎn)位置

public string Title { get； set； }//標(biāo)題，對(duì)應(yīng)PCH文件$TITLE內(nèi)容

public string SubTitle { get； set； }//工況標(biāo)題，對(duì)應(yīng)PCH文件$SUBTITLE內(nèi)容

public string Label { get； set； }//標(biāo)簽，對(duì)應(yīng)PCH文件$LABEL內(nèi)容

public string Types { get； set； }//數(shù)值類(lèi)型，包括位移、速度、加速度。

public string OutPut { get； set； }//輸出類(lèi)型，對(duì)應(yīng)$MAGNITUDE-PHASE OUTPUT行

public string IncentiveDirection { get； set； }//激勵(lì)方向，對(duì)應(yīng)$LABEL內(nèi)容

public string IncentivePointId { get； set； }//激勵(lì)點(diǎn)Id，對(duì)應(yīng)$LABEL內(nèi)容

public string SubId { get； set； }//工況Id，對(duì)應(yīng)$SUBCASE ID內(nèi)容

public string PointId { get； set； }//響應(yīng)點(diǎn)Id，對(duì)應(yīng)$POINT ID內(nèi)容

public int Frequency { get； set； }//頻率

public double MagTransX { get； set； }//實(shí)數(shù)X向（或位移）響應(yīng)值

public double MagTransY { get； set； }//實(shí)數(shù)Y向響應(yīng)值

public double MagTransZ { get； set； }//實(shí)數(shù)Z向響應(yīng)值

}

3.2.2 頻響計(jì)算結(jié)果類(lèi)（NVHPoint）

計(jì)算結(jié)果文件是基礎(chǔ)點(diǎn)的集合，因此也相當(dāng)于是BasicPoint類(lèi)的集合。一般結(jié)果文件至少包括位移、速度和加速度3類(lèi)響應(yīng)數(shù)據(jù)之中的一種，現(xiàn)定義NVHPoint類(lèi)，該類(lèi)包括了類(lèi)型都為BasicPoint的響應(yīng)點(diǎn)位移值集合、響應(yīng)點(diǎn)速度值集合、響應(yīng)點(diǎn)加速度值集合、單個(gè)響應(yīng)點(diǎn)包含的頻率總數(shù)、加速度響應(yīng)點(diǎn)數(shù)、位移的響應(yīng)點(diǎn)數(shù)、速度的響應(yīng)點(diǎn)數(shù)。通過(guò)轉(zhuǎn)換，一個(gè)計(jì)算結(jié)果文件可以等效于一個(gè)NVHPoint類(lèi)實(shí)體。NVHPoint類(lèi)代碼如下：

public class NVHPoint

{

public BasicPoint[] AccelerationPoints；//響應(yīng)點(diǎn)加速度值集合

public BasicPoint[] DisplacementsPoints；//響應(yīng)點(diǎn)位移值集合

public BasicPoint[] VelocityPoints；//響應(yīng)點(diǎn)速度值集合

public int PointOfFrequency；//單點(diǎn)包含的頻率數(shù)

public int NumsOfAccelerationPoints；//加速度的響應(yīng)點(diǎn)數(shù)

public int NumsOfDisplacementsPoints；//位移的響應(yīng)點(diǎn)數(shù)

public int NumsOfVelocityPoints；//速度的響應(yīng)點(diǎn)數(shù)

}

3.2.3 極值點(diǎn)類(lèi)（MaxorMinPoin）

極大值為某個(gè)工況下，相應(yīng)點(diǎn)在指定頻率區(qū)間內(nèi)最大的響應(yīng)值。該類(lèi)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)噪聲傳遞函數(shù)分析和振動(dòng)傳遞函數(shù)分析。MaxorMinPoint類(lèi)代碼如下。

public class MaxorMinPoint

{

public int PointIndex { get； set； }//序號(hào)，唯一性，用于識(shí)別點(diǎn)位置

public string IncentiveDirection { get； set； }//激勵(lì)方向

public string IncentivePointId { get； set； }//激勵(lì)點(diǎn)Id

public string SubId { get； set； }//工況Id

public string PointId { get； set； }//響應(yīng)點(diǎn)Id

public double MagTransX { get； set； }//X向（或位移）極值

public double MagTransY { get； set； }//Y向極值

public double MagTransZ { get； set； }//Z向極值

public int IndexX { get； set； }//X向（或位移）極值對(duì)應(yīng)頻率

public int IndexY { get； set； }//Y向極值對(duì)應(yīng)頻率

public int IndexZ { get； set； }//Z向極值對(duì)應(yīng)頻率

public int Begin { get； set； }//取極值頻率區(qū)間的開(kāi)始頻率

public int End { get； set； }//取極值頻率區(qū)間的結(jié)束頻率

}

3.2.4 動(dòng)剛度值點(diǎn)類(lèi)（DyPoint）

該類(lèi)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)動(dòng)剛度分析，以便于結(jié)果的輸出。DyPoint類(lèi)代碼如下。

public class DyPoint

{

public string PointId { get； set； }//響應(yīng)點(diǎn)Id

public double Frequency { get； set； }//頻率

public double Xvalue { get； set； }//X向動(dòng)剛度值

public double Yvalue { get； set； }//Y向動(dòng)剛度值

public double Zvalue { get； set； }//Z向動(dòng)剛度值

}

3.3 Npoi實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出

3.3.1 NPOI定義單元格顏色的方法

ICellStyle red = hssfworkbook.CreateCellStyle（）；//創(chuàng)建單元格樣式

red.FillForegroundColor = HSSFColor.Red.Index；//設(shè)置單元格顏色

red.FillPattern = FillPattern.SolidForeground；//設(shè)置單元格填充類(lèi)型

red.DataFormat = HSSFDataFormat.GetBuiltinFormat（"0.00"）；

NpoiUtil.GetSafeCell（1， 1）.CellStyle = red；

3.3.2 輸出NTF結(jié)果的實(shí)現(xiàn)

FileStream file = new FileStream（NtfPath，F(xiàn)ileMode.Open，F(xiàn)ileAccess.Read）；

HSSFWorkbook hf= new HSSFWorkbook（file）；

ISheet sheet = hf.GetSheetAt（0）； //NTF模版的讀取

IRow row = sheet.GetRow（1）；

double NtfValue = 20*Math.Log10（MaxOutput[i].MagTransX *100000000000 / 2）；

NpoiUtil.GetSafeCell（row，1）.SetCellValue（NtfValue）； // NTF結(jié)果填入特定單元格

sheet.ForceFormulaRecalculation = true；

NpoiUtil.WriteToFile（NewPath，hf）； //保存NTF結(jié)果文件

3.4 搭建Web測(cè)試環(huán)境

當(dāng)NVH類(lèi)庫(kù)項(xiàng)目完成開(kāi)發(fā)后，可通過(guò)Web程序或者Winform程序調(diào)用NVH類(lèi)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)分析的后處理。為了便于測(cè)試，本文通過(guò)搭建一個(gè)Web程序進(jìn)行測(cè)試。

4 軟件后處理測(cè)試

測(cè)試軟件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了NTF（噪聲傳函）分析、VTF（振動(dòng)傳函）分析、動(dòng)剛度分析后處理，考慮篇幅，下文僅通過(guò)NTF做舉例。

4.1 NTF后處理

噪聲傳遞函數(shù)（NTF）分析后處理為Web界面。如圖4所示，可通過(guò)Web界面選擇待處理文件，再設(shè)定極大值取值的頻率區(qū)間、預(yù)警值和超標(biāo)值，再點(diǎn)“開(kāi)始處理”按鈕，程序就開(kāi)始進(jìn)行后處理了。后處理完成后，將生成NTF結(jié)果文件和數(shù)據(jù)曲線文件。

分別打開(kāi)生成的2個(gè)文件，圖5左側(cè)為NTF響應(yīng)值數(shù)據(jù)，其中深陰影數(shù)據(jù)表示響應(yīng)值超過(guò)最大目標(biāo)值，淺陰影數(shù)據(jù)表示響應(yīng)值超過(guò)預(yù)警值；圖5右側(cè)為9000002響應(yīng)點(diǎn)在工況1、工況2、工況3下的曲線圖。

4.2 軟件后處理效率分析

通過(guò)使用后處理軟件進(jìn)行后處理花費(fèi)用時(shí)進(jìn)行測(cè)試，后處理用時(shí)不到1 min。人工處理和軟件后處理平均用時(shí)的對(duì)比情況如下。

（1）動(dòng)剛度后處理：人工約1.5 h，軟件為11 s，軟件用時(shí)是人工用時(shí)的1/540。

（2）噪聲傳函后處理：人工約5 h，軟件為52 s，軟件用時(shí)是人工用時(shí)的1/360。

（3）振動(dòng)傳函后處理：人工約15 h，軟件為45 s，軟件用時(shí)是人工用時(shí)的1/1230。

可見(jiàn)，軟件后處理效率驚人，可大大縮短分析周期。

5 結(jié)論

NVH分析后處理工作量非常巨大，提升后處理效率已經(jīng)是縮短CAE分析周期的關(guān)鍵要素。本文通過(guò)C#.Net編程技術(shù)，提出了軟件設(shè)計(jì)和解決方案。

（1）所有頻響類(lèi)分析計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一致的，可以看成是某工況某頻率下響應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)值集合；通過(guò)C#類(lèi)可以將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)出來(lái)。

（2）NPOI導(dǎo)出Excel格式數(shù)據(jù)文件的功能很強(qiáng)大，使用也方便。

（3）軟件實(shí)現(xiàn)后處理的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工處理。

（4）頻響類(lèi)分析后處理通過(guò)軟件完成，不僅能夠加快工作進(jìn)度，保證時(shí)間節(jié)點(diǎn)，還能降低工程師的工作負(fù)荷，使他們有更多的時(shí)間和精力集中于方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化上，達(dá)到提升方案質(zhì)量和數(shù)量的目的。

（5）軟件后處理可以避免人工在重復(fù)性工作過(guò)程中犯錯(cuò)的情況，從而保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]