某乘用車加速噪聲CAE分析優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

姜雪 翟云龍 許京 鄧建交 侯杭生

摘 ?要：在某乘用車的開發(fā)過程中，工程樣車出現(xiàn)了加速噪聲不達(dá)標(biāo)的問題。為解決問題以保證不影響項(xiàng)目時(shí)間節(jié)點(diǎn)，敏感位置和原因需要快速確定。CAE方法是目前行業(yè)中解決工程問題最有效和常用的手段，本文即采用CAE方法對問題進(jìn)行分析診斷和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，首先進(jìn)行整車有限元建模，整個(gè)模型包括車身聲腔、內(nèi)飾車身、底盤結(jié)構(gòu)件、動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件、模態(tài)輪胎等，各零部件之間利用剛性單元或者彈性單元連接和組裝。載荷為懸置被動端的加速度激勵(lì)，輸出的監(jiān)測點(diǎn)為車內(nèi)噪聲和座椅導(dǎo)軌的振動水平。在加速噪聲結(jié)果峰值附近進(jìn)行節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析，針對貢獻(xiàn)量大的位置提出了優(yōu)化方案。對比優(yōu)化前后的車內(nèi)加速噪聲結(jié)果，表明優(yōu)化改進(jìn)后加速噪聲明顯降低，達(dá)成了整車NVH目標(biāo)。該工作體現(xiàn)了利用整車CAE仿真分析進(jìn)行問題診斷和設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以極大地提高問題解決效率，降低試驗(yàn)成本，有利于縮短開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：加速噪聲;整車虛擬仿真;貢獻(xiàn)量

中圖分類號：U461.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2020）05-0012-05

Abstract： During the development of a passenger vehicle program， an OTS prototype vehicle failed to meet the acceleration noise target. In order to resolve the issue and avoid the potential delay， the root causes need to be identified quickly. Since the CAE method is an effective and commonly used method to solve engineering problems in the automotive industry， this paper applies the CAE method to analyze the problem， identify the root cause， and optimize the structure. Firstly， a finite element full vehicle model is established， which includes the body cavity， interior body， chassis structure， powertrain system， modal tire， etc. The full vehicle model is assembled using elastic and rigid connections. The applied load is the acceleration excitation which is applied at the passive side of the engine mounts， and the output monitoring quantities are the interior noise level and the seat track vibration level. The contribution of nodes is analyzed near the peak value of the acceleration noise， and an optimization scheme is proposed for the areas with large contributions. Comparing the level of the acceleration noise before and after the optimization， it shows that the acceleration noise after the optimization is significantly reduced， and the NVH target of the vehicle is achieved. This work shows that the problem diagnosis and design optimization by CAE simulation for a full vehicle can greatly improve the efficiency of the problem solving， reduce the cost of testing and shorten the development cycle.

Key Words： Acceleration Noise; Vehicle Virtual Simulation; Contribution

1 ? ?前言

隨著工程技術(shù)的不斷提升和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對于汽車的要求已不僅局限于代步工具，而是更為注重駕乘舒適性的品質(zhì)內(nèi)涵。由于汽車振動噪聲性能直面用戶，NVH已經(jīng)成為衡量汽車綜合性能的重要因素。動力總成噪聲作為車內(nèi)噪聲的主要噪聲源之一，其水平的好壞將直接影響車內(nèi)NVH水平[1]-[2]。

在某乘用車的開發(fā)過程中，工程樣車的NVH 主觀評價(jià)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該款車在高轉(zhuǎn)速加速過程中噪聲過大，上市后必定會引起客戶抱怨，因而需要迅速診斷問題根源，提出有效的解決方案?；贑AE可以快速有效定位問題和優(yōu)化便捷的優(yōu)點(diǎn)，NVH虛擬計(jì)算團(tuán)隊(duì)建立了有限元整車模型，分析加速噪聲工況下車內(nèi)噪聲響應(yīng)和振動，精準(zhǔn)定位問題的根源，快速有效驗(yàn)證優(yōu)化方案，有效地提升了整車NVH加速噪聲的性能。

2 ? ?加速噪聲分析

2.1 ? 整車建模

所建立的整車有限元模型如圖1所示，其中包括了車身聲腔、內(nèi)飾車身、底盤結(jié)構(gòu)件、動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件、模態(tài)輪胎等。用于裝配整車的各零部件模型均經(jīng)過模態(tài)或傳函的驗(yàn)證以確保模型的準(zhǔn)確性。在各個(gè)零部件中定義了裝配點(diǎn)，各零部件間裝配關(guān)系根據(jù)實(shí)車情況采用剛性連接、球鉸連接和橡膠襯套連接三種表達(dá)方式。剛性連接和球鉸連接通過不同的自由度關(guān)系來模擬，橡膠襯套采用動剛度常量或者動剛度曲線來近似。噪聲響應(yīng)采集點(diǎn)定義在車身聲腔中，具體設(shè)在駕駛員或者乘員的耳朵位置。振動響應(yīng)點(diǎn)定義在車身結(jié)構(gòu)中，具體位置為駕駛員座椅導(dǎo)軌振動響應(yīng)點(diǎn)和方向盤振動響應(yīng)點(diǎn)。

2.2 ? 整車模型校驗(yàn)

整車模型校驗(yàn)分成兩個(gè)部分，零部件子模型校驗(yàn)和整車裝配模型校驗(yàn)。零部件子模型校驗(yàn)指標(biāo)如表1所示。簡單結(jié)構(gòu)件由CAE的模態(tài)分析驗(yàn)證即可，復(fù)雜結(jié)構(gòu)件需要CAE和試驗(yàn)的雙重驗(yàn)證。車身模型校驗(yàn)指標(biāo)包括聲傳函（NTF）和振動傳函（VTF）。底盤結(jié)構(gòu)建模型的校驗(yàn)由CAE模態(tài)驗(yàn)證即可。減振器模型需要進(jìn)行傳遞函數(shù)和模態(tài)試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果逆向算出減振器的剛度特性，保證減振器特性與實(shí)際保持一致。

子模型校驗(yàn)后進(jìn)行裝配模型校驗(yàn)。整車裝配模型校驗(yàn)指標(biāo)如表2所示：

在項(xiàng)目開發(fā)前期、缺乏實(shí)車試驗(yàn)激勵(lì)數(shù)據(jù)的情況下，無法準(zhǔn)確驗(yàn)證響應(yīng)結(jié)果，所以驗(yàn)證底盤傳遞函數(shù)和整車傳遞函數(shù)。獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，加載試驗(yàn)測試的懸置激勵(lì)和車輪軸頭力激勵(lì)校驗(yàn)整車頻響分析響應(yīng)。

本文通過計(jì)算加速工況下振動噪聲響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)模型驗(yàn)證，圖2所示為CAE的計(jì)算值與試驗(yàn)獲得的結(jié)果對比。從加速工況噪聲響應(yīng)校驗(yàn)的結(jié)果可以看出趨勢良好，基本滿足整車NVH性能分析需求。

2.3 ? 整車加速工況噪聲分析

由于在項(xiàng)目中后期具有試驗(yàn)車的資源，為保證激勵(lì)的準(zhǔn)確性，采用試驗(yàn)測試的懸置被動側(cè)的加速度激勵(lì)作為模型的輸入載荷。分析工況為三擋加速0.5階次、1階次、……、4階次加速度激勵(lì)，響應(yīng)點(diǎn)為駕駛員內(nèi)外耳和后排右側(cè)內(nèi)外耳。得到駕駛員外耳聲壓級響應(yīng)曲線如圖3所示，從各個(gè)階次得到的響應(yīng)結(jié)果可以看出，二階激勵(lì)導(dǎo)致的響應(yīng)最顯著，其次是四階，故這兩個(gè)階次的頻響分析需要進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)化分析。

3 ? ?加速噪聲診斷

獲得加速噪聲的結(jié)果后，需要確定問題的產(chǎn)生根源，然后提出解決問題的合理優(yōu)化方案。本文采用節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析法，針對加速噪聲各峰值頻率進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析。

相比于原來廣泛使用的板貢獻(xiàn)量法，節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量不但計(jì)算效率高，而且省略了將模型分塊的步驟，在很大程度上降低了工作量。節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析的實(shí)質(zhì)是把聲腔內(nèi)的響應(yīng)分解為流固耦合界面上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)，這樣就可以根據(jù)耦合面上貢獻(xiàn)量大的位置去定位車身結(jié)構(gòu)上對應(yīng)的結(jié)合位置，直接輸出聲腔表面網(wǎng)格貢獻(xiàn)量，方便快捷的診斷貢獻(xiàn)量大的位置，高效地、針對性地提出優(yōu)化方案[3]-[5]。

根據(jù)此乘用車的高轉(zhuǎn)速噪聲大的問題，以下對高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率范圍的貢獻(xiàn)量進(jìn)行詳細(xì)的說明。三擋加速二階激勵(lì)下的駕駛員外耳噪聲響應(yīng)曲線如圖4所示：

圖中結(jié)果表明，對應(yīng)于峰值頻率145Hz的轉(zhuǎn)速為4350轉(zhuǎn)，與試驗(yàn)結(jié)果一致。通過計(jì)算145Hz處的貢獻(xiàn)量，圖5所示為節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量結(jié)果。

4 ? ?加速噪聲優(yōu)化

從節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量的分析結(jié)果圖4知，后排左側(cè)地板區(qū)域貢獻(xiàn)量最大，所以優(yōu)化工作圍繞該區(qū)域進(jìn)行，此處的地板結(jié)構(gòu)如圖6所示：

該地板下方優(yōu)化策略是移頻，由此提出三種方案。方案一是增加焊點(diǎn)，此處地板與下方的縱梁由于工藝的原因，由兩段梁焊接而成，目前焊點(diǎn)僅有兩個(gè)，方案一是再增加四個(gè)焊點(diǎn)，提高梁對地板的連接效率作用，見圖7所示。方案二是在梁上增加一個(gè)2kg的質(zhì)量塊，通過改變質(zhì)量達(dá)到移頻的效果，見圖8所示。方案三是在兩個(gè)縱梁之間加入一個(gè)橫梁，增加整體結(jié)構(gòu)的剛度，如圖9所示。對這三種方案分別進(jìn)行三擋加速工況噪聲響應(yīng)分析，得到駕駛員外耳噪聲140-180Hz段聲壓級的變化量如表3所示。三種方案對于高轉(zhuǎn)速噪聲均有改善，其中加入橫梁改善效果最為明顯，在140-180Hz范圍內(nèi)總聲壓級下降2.2dB（A）。得到各方案的貢獻(xiàn)量結(jié)果如圖10-12所示。由于貢獻(xiàn)量標(biāo)尺經(jīng)過正則化，標(biāo)尺最大值均為1，所以在方案改進(jìn)后，后排地板下方位置已經(jīng)不是主要貢獻(xiàn)位置，所以其他位置的貢獻(xiàn)量也突出出來，改進(jìn)方案的貢獻(xiàn)量結(jié)果證明了改進(jìn)方案的有效性。

在CAE分析完成后，通過試驗(yàn)對三個(gè)方案進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果結(jié)論與CAE結(jié)論一致，三種方案均可改善動力總成高轉(zhuǎn)速噪聲。試驗(yàn)結(jié)果見圖13所示：

5 ? ?結(jié)語

（1）基于有限元整車分析方法可以高效、準(zhǔn)確的評估整車的加速噪聲水平。

（2）基于節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析可以準(zhǔn)確定貢獻(xiàn)量較大的位置，針對高敏感度位置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以有效降低峰值。

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