NVH仿真后處理流程自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

沈輝 彭鴻 唐輝 管迪

摘 要：文章使用python/VBS腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套完整的汽車NVH仿真后處理流程自動(dòng)化系統(tǒng)，彌補(bǔ)了商業(yè)軟件的不足。此系統(tǒng)集成Meta和Office軟件，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)剛度、NTF和VTF分析的自動(dòng)后處理和自動(dòng)生成報(bào)告。此系統(tǒng)的應(yīng)用將以往一到兩天的工作量縮減到十幾分鐘，顯著縮短了分析周期。自動(dòng)化系統(tǒng)功能還包括：提供多方案對(duì)比功能，方便NVH分析工程師進(jìn)行方案評(píng)優(yōu);仿真結(jié)果自動(dòng)寫入性能管控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，有利于企業(yè)知識(shí)的積累;通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖表分析響應(yīng)點(diǎn)的噪聲分布，快速識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：NVH仿真;后處理;動(dòng)剛度;傳函分析;流程自動(dòng)化

Abstract： An automatic post-process system for NVH simulation is developed by using the python/VBS programming language. The tool integrates Meta and Office software and it makes up the weakness of commercial software. The tool makes the batch post for dynamic stiffness and transform function analysis realized. The application of the tool reduces the workload from one or two days to less than twenty minutes， remarkably shortens the simulation cycle. The automation tool also includes functions as follows： provides multi result comparison function， which is convenient for NVH engineers to evaluate the scheme quickly; automatically writes the simulation results into the performance control database， which is conducive to the accumulation of knowledge; analyzes the noise distribution of response points through statistical charts， which can helps engineers to identify risk quickly.

Keywords： NVH simulation; Post-process; Dynamic stiffness; Transform function analysis; Process automation

前言

當(dāng)前汽車的NVH性能越來(lái)越受重視，而CAE仿真技術(shù)在整車NVH開(kāi)發(fā)中發(fā)揮越來(lái)越重要的角色[1-3]。經(jīng)驗(yàn)表明，與其它學(xué)科CAE分析相比，NVH的后處理工作量往往要大很多，尤其是動(dòng)剛度和傳遞函數(shù)分析[4]。因此，提高NVH分析后處理效率一直是很多主機(jī)廠和研究機(jī)構(gòu)的研究課題[4-5]。

近些年隨著ANSA在汽車、航天航空、電子等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與之配套的Meta也越來(lái)越受人重視。ANSA和META軟件作為一個(gè)高度開(kāi)放的CAE平臺(tái)，提供了基于Python語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)接口，使得CAE工程師能夠根據(jù)自身需求開(kāi)發(fā)定制化的自動(dòng)化流程[6-7]。Python是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，具有語(yǔ)法簡(jiǎn)潔、豐富的第三方庫(kù)等優(yōu)點(diǎn)[8]。

本文使用python和VBS語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套NVH仿真后處理的流程自動(dòng)化系統(tǒng)。此系統(tǒng)集成Meta和Office軟件，通用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了后處理流程100%自動(dòng)化。此工具可快速實(shí)現(xiàn)動(dòng)剛度和傳遞函數(shù)分析的后處理數(shù)據(jù)提取、自動(dòng)生成報(bào)告、多結(jié)果的橫縱向?qū)?biāo)及自動(dòng)生成性能管控表。

1 NVH-CAE后處理需求分析

動(dòng)剛度、NTF、VTF是NVH分析工作的重要組成部分，三者的共同點(diǎn)都是在車身接附點(diǎn)分別施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向的載荷，然后考察響應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)，區(qū)別在于考察的接附點(diǎn)數(shù)量、響應(yīng)點(diǎn)位置和響應(yīng)方式不一樣。

車身關(guān)鍵接附點(diǎn)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝點(diǎn)，懸架系統(tǒng)安裝點(diǎn)，減震器安裝點(diǎn)，副車架安裝點(diǎn)，排氣系統(tǒng)安裝點(diǎn)，傳動(dòng)系統(tǒng)安裝點(diǎn)，冷卻系統(tǒng)安裝點(diǎn)等。圖1列舉了部分車身接附點(diǎn)。

動(dòng)剛度、NTF和VTF后處理的曲線處理數(shù)量如表1所示，從表中可看出后處理的巨大工作量。動(dòng)剛度和傳函分析的目的，就是要從這幾百條的結(jié)果曲線中識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)的后處理流程是通過(guò)商業(yè)軟件導(dǎo)入計(jì)算結(jié)果，然后通過(guò)人工操作，逐條生成曲線、曲線轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及提取數(shù)值，這些工作通常需要花費(fèi)工程師近一天的時(shí)間。此外NVH分析報(bào)告編制還需耗費(fèi)大半天的時(shí)間?？偠灾甆VH的后處理是極其繁瑣耗時(shí)的工作，后處理效率很大程度上決定NVH分析周期。

動(dòng)剛度和傳函分析的后處理是對(duì)大量曲線的重復(fù)性操作，為提高后處理效率，縮短分析周期，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化后處理程序勢(shì)在必行。

2 動(dòng)剛度后處理流程自動(dòng)化開(kāi)發(fā)

2.1 動(dòng)剛度及1/3倍頻程理論

車身接附點(diǎn)動(dòng)剛度是車內(nèi)怠速噪聲和路面噪聲的重要影響因數(shù)[9]，它不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著頻率變化而改變的。動(dòng)剛度分析的輸入為源點(diǎn)單位力，輸出為源點(diǎn)加速度響應(yīng)，源點(diǎn)加速度曲線即為IPI曲線。IPI的計(jì)算公式如下[10]：

式中：F為載荷，Kd為動(dòng)剛度，ω為圓頻率，f為頻率，x為位移。接附點(diǎn)在頻率fi處的動(dòng)剛度為：

由公式（1）進(jìn)一步轉(zhuǎn)化可以得到源點(diǎn)加速度導(dǎo)納曲線，即動(dòng)剛度曲線。在工程實(shí)際中，為方便與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，往往將動(dòng)剛度曲線等效為關(guān)注頻率范圍內(nèi)的一個(gè)具體值，即等效動(dòng)剛度。等效動(dòng)剛度的計(jì)算公式為：

其中，IPI （f）為對(duì)應(yīng)頻率的源點(diǎn)加速度值，n為頻率個(gè)數(shù)。

在聲學(xué)性能測(cè)量中，采用1/3倍頻程頻譜分析能詳細(xì)地反映出噪聲源的頻譜特性及噪聲帶寬的能量分布情況，能夠?yàn)樵肼暱刂铺峁﹨?shù)，也為工程師全面認(rèn)識(shí)聲源產(chǎn)生機(jī)理和提出合適的降噪對(duì)策提供了非常大幫助[11]，因此在噪聲分析過(guò)程中1/3倍頻程的分析顯得尤為重要[12]。

1/3倍頻程帶寬的計(jì)算方法如下：

其中fu為頻帶上限頻率，fd為頻帶下限頻率，fm頻帶中心頻率，B為1/3倍頻程帶寬。

2.2 程序開(kāi)發(fā)思路

如圖2所示，首先在Meta軟件中執(zhí)行python程序，自動(dòng)讀取結(jié)果文件、處理轉(zhuǎn)換曲線、提取數(shù)值結(jié)果并輸出曲線圖片等。然后通過(guò)VBS程序?qū)⑶€數(shù)據(jù)、圖片等編制成分析報(bào)告并寫入性能管控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

圖3為python程序在Meta軟件中處理計(jì)算結(jié)果的具體流程圖。

2.3 程序界面說(shuō)明

動(dòng)剛度后處理界面如圖4所示。用戶可以根據(jù)需要選擇結(jié)果文件的數(shù)量，程序?qū)Y(jié)果文件數(shù)量沒(méi)限制，極大地方便用戶進(jìn)行結(jié)果橫向或縱向比較。

參數(shù)設(shè)置分為三部分：第一部分為普通參數(shù)設(shè)置（如是否生成PPT報(bào)告、設(shè)置目標(biāo)值等），用戶可在此頁(yè)面靈活設(shè)置激勵(lì)點(diǎn)ID，提高了程序適用性;第二部分為坐標(biāo)軸參數(shù)設(shè)置，包括曲線頻率范圍及步長(zhǎng)設(shè)置;第三部分為1/3倍頻程參數(shù)設(shè)置，通過(guò)設(shè)置起始頻率，程序自動(dòng)計(jì)算并顯示各頻段中心頻率。

2.4 程序運(yùn)行效果

程序運(yùn)行效果如圖5所示，自動(dòng)生成動(dòng)剛度曲線，標(biāo)示最小動(dòng)剛度和對(duì)應(yīng)頻率，同時(shí)創(chuàng)建1/3倍頻程曲線并提取各頻段的等效動(dòng)剛度，此外根據(jù)用戶需要可自動(dòng)創(chuàng)建目標(biāo)值曲線。

計(jì)算結(jié)果在Meta中處理完后自動(dòng)生成PPT報(bào)告和性能管控表，方便知識(shí)積累。圖6是自動(dòng)生成的性能管控表，表中匯總了所有結(jié)果所有激勵(lì)點(diǎn)的動(dòng)剛度最小值及對(duì)應(yīng)頻率。

3 NTF&VTF后處理流程自動(dòng)化開(kāi)發(fā)

3.1 程序開(kāi)發(fā)思路

傳遞函數(shù)包括噪聲傳遞函數(shù)（NTF）和振動(dòng)傳遞函數(shù)（VTF），這兩種分析基本一致，區(qū)別在于考察的響應(yīng)點(diǎn)位置不一樣。因此下文以NTF的后處理自動(dòng)化為例進(jìn)行說(shuō)明。程序架構(gòu)與動(dòng)剛度一致，程序開(kāi)發(fā)流程如圖7所示。

3.2 程序界面說(shuō)明

圖8為NTF自動(dòng)后處理的界面。與動(dòng)剛度后處理類似，程序首先為用戶提供了計(jì)算結(jié)果設(shè)置對(duì)話框，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置結(jié)果文件數(shù)量。當(dāng)結(jié)果文件數(shù)量大于1時(shí)，程序?qū)⒛J(rèn)以base結(jié)果為考察對(duì)象并與其它計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

為滿足用戶不同需求，提高插件的交互性，程序提供了豐富的參數(shù)設(shè)置接口。

1）設(shè)置是否生成分析報(bào)告及分析報(bào)告內(nèi)容;

2）設(shè)置參考目標(biāo)值;

3）根據(jù)位置進(jìn)行激勵(lì)點(diǎn)歸類，方便結(jié)果匯總透視;

4）坐標(biāo)軸設(shè)置，頻率范圍和步長(zhǎng)設(shè)置等。

3.3 程序運(yùn)行效果

后處理過(guò)程完全由程序100%自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）自動(dòng)生成NTF曲線對(duì)比圖，如圖9所示。圖中自動(dòng)標(biāo)識(shí)曲線的噪聲值及對(duì)應(yīng)頻率，并創(chuàng)建目標(biāo)值曲線。

2）自動(dòng)生成響應(yīng)點(diǎn)的基因突變瀑布圖，如圖10所示，通過(guò)瀑布圖可快速識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)頻率范圍。

3）自動(dòng)生成PPT報(bào)告，統(tǒng)計(jì)、匯總各響應(yīng)點(diǎn)的噪聲分布結(jié)果。圖11（a）對(duì)應(yīng)的是駕駛員在激勵(lì)點(diǎn)（ID=104）不同方向激勵(lì)下的噪聲分布。圖11（b）匯總得到右后排乘客在所有激勵(lì)下的噪聲分布情況。

4）自動(dòng)創(chuàng)建性能管控表，標(biāo)識(shí)結(jié)果狀態(tài)。管控表中匯總了響應(yīng)點(diǎn)在不同激勵(lì)點(diǎn)不同方向的噪聲值及對(duì)應(yīng)頻率，并且自動(dòng)完成與目標(biāo)值的對(duì)比。

4 結(jié)論

本文基于META軟件的二次開(kāi)發(fā)接口，使用python和VBS語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套完整的NVH-CAE分析后處理自動(dòng)化流程，彌補(bǔ)了商業(yè)軟件的不足。此工具已在吉利所有研發(fā)項(xiàng)目的NVH分析工作中運(yùn)用。

后處理流程自動(dòng)化工具的應(yīng)用，使得工程師能夠在不到二十分鐘即可完成以往一到兩天的工作量，大幅降低了分析工程師的工作負(fù)荷，讓工程師有更多的時(shí)間投入到優(yōu)化工作中。程序提供了多結(jié)果對(duì)比功能，讓工程師能夠快速進(jìn)行方案評(píng)優(yōu)。分析報(bào)告中增加了數(shù)值統(tǒng)計(jì)、圖表透視功能，運(yùn)用視覺(jué)化手段讓工程師對(duì)噪聲結(jié)果分布一目了然，從而快速識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。同時(shí)結(jié)果數(shù)據(jù)自動(dòng)匯總到性能管控?cái)?shù)據(jù)表，有利于知識(shí)的積累。

參考文獻(xiàn)

[1] 王得剛，李朝峰，姚紅良，等.基于車身有限元分析的汽車NVH研究[J].機(jī)械與電子，2008（9）：3-6.

[2] 郝耀東.基于懸架系統(tǒng)的汽車NVH性能研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

[3] 徐勁例，潘青姑，陳瑞瀅.基于汽車NVH提升的傳動(dòng)軸優(yōu)化仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].汽車工程，2018， 40（12）：1467-1474.

[4] 蘭斌旋，常光寶，李書陽(yáng)，等.基于C#.NET的NVH動(dòng)剛度及傳函分析后處理效率提升研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2017（2）：100-104.

[5] 朱淑強(qiáng)，徐曉羽，郝麗娜.基于VB語(yǔ)言的NVH-CAE后處理程序的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].汽車工程車，2016（12）：22-24.

[6] 李渤，陳昌明，許佰寧.基于ANSA和META的行人頭型碰撞仿真分析自動(dòng)化[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2012， 30（5）：657-660.

[7] 王國(guó)鋒，彭鴻，丁智，等.ANSA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)在白車身連接中的應(yīng)用[C].第十四屆中國(guó)CAE分析工程分析技術(shù)年會(huì)論文集.2018： 206-208.

[8] 司維，曾軍崴，譚穎華.Python基礎(chǔ)編程[M].北京：人民郵電出版社， 2014.

[9] 廖抒華，劉利，李春楠，等.車身關(guān)鍵接附點(diǎn)動(dòng)剛度分析與改進(jìn)[J].公路與汽運(yùn)，2013（05）：11-14.

[10] 周安勇，侯蕾，劉旌揚(yáng).白車身接附點(diǎn)動(dòng)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 汽車技術(shù)，2013（06）：16-19.

[11] 黃晶晶 ，雷勇.基于VC++的1/3倍頻程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，電子測(cè)量技術(shù)，2006，29（6）：135-143.

[12] 李耀中.噪聲控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.