鄭宏良 陳勝飛
【摘 要】文章主要闡述了某車型SUV在整車開發(fā)的前期階段,針對加速工況噪聲響應(yīng)曲線中風(fēng)險較高的峰值進(jìn)行控制與優(yōu)化的方法。首先應(yīng)用HyperWorks的NVHD模塊建立樣車整車模型,通過對比樣車仿真分析結(jié)果及測試結(jié)果,驗證了模型的準(zhǔn)確性。然后根據(jù)3G-WOT加速工況仿真得到噪聲響應(yīng)曲線,對存在的風(fēng)險峰值頻率進(jìn)行分析。運用節(jié)點貢獻(xiàn)量和ODS分析方法,定位出問題頻率的主要響應(yīng)敏感區(qū)域,并對車身板件結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化方案。最后通過對優(yōu)化方案的驗證,證明了方案的有效性。
【關(guān)鍵詞】NVHD;節(jié)點貢獻(xiàn)量;ODS
【中圖分類號】U467.493 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688(2020)10-0090-04
0 引言
隨著社會的發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的不斷提升,汽車走進(jìn)了越來越多的普通家庭,汽車的舒適性也越來越受到消費者的關(guān)注。整車NVH性能是影響車輛舒適性的重要因素之一,因此提升整車NVH性能對提升汽車品牌和客戶滿意度起到至關(guān)重要的作用。
目前,解決NVH問題的主要手段是試驗,但是近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,CAE虛擬仿真技術(shù)在提升整車NVH性能中發(fā)揮著越來越重要的作用。利用CAE分析技術(shù)對提升整車NVH性能,減少樣車整改時間,以及縮減整車開發(fā)成本起到很大的作用。
HyperWorks的NVHD模塊是為了滿足整車NVH建模和分析的需求,在HyperWorks下定制的工作環(huán)境,它集成了“福特”“通用”等OEM廠商數(shù)十年NVH分析經(jīng)驗,是目前世界上同類產(chǎn)品中功能最強(qiáng)大,也是使用最廣泛的CAE-NVH建模分析及后處理工具。在NVHD中包含若干NVH相關(guān)的后處理工具,如模態(tài)貢獻(xiàn)量、板件貢獻(xiàn)量、節(jié)點貢獻(xiàn)量、傳遞路徑分析、能量分析等,它們具有強(qiáng)大的繪圖選項,可以實現(xiàn)從繪圖到模態(tài)動畫的無縫連接,可以方便分析人員更有效地辨識問題的源頭,并尋找到關(guān)鍵的解決方案。
本文將在整車開發(fā)的前期階段應(yīng)用HyperWorks的NVHD模塊建立某樣車整車模型,然后進(jìn)行3G-WOT(三擋全油門)加速工況仿真分析,得到駕駛員及乘員耳旁噪聲響應(yīng)曲線。通過對比樣車仿真分析結(jié)果及測試結(jié)果,驗證了模型的準(zhǔn)確性,并根據(jù)仿真分析結(jié)果,對存在風(fēng)險峰值頻率進(jìn)行分析。通過節(jié)點貢獻(xiàn)量分析和ODS分析,定位出問題響應(yīng)敏感區(qū)域,并對車身板件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過對優(yōu)化方案的驗證,證明了方案的有效性。
1 基于NVHD搭建整車模型
本文以某車企SUV為原型,利用HyperWorks的NVHD模塊對其進(jìn)行整車建模。建立的整車模型包括內(nèi)飾車身、前懸架子系統(tǒng)、后懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)、制動子系統(tǒng)及輪胎。模型裝配完成后如圖1所示。
加速工況的激勵為發(fā)動機(jī)1 000~5000 RPM缸壓等效載荷。獲取激勵可通過發(fā)動機(jī)缸壓測試獲得。缸壓測試完成后,還需要進(jìn)行載荷轉(zhuǎn)換。通過在多體動力學(xué)分析軟件中建立發(fā)動機(jī)MBD模型,根據(jù)缸壓測試數(shù)據(jù)計算燃燒力、慣性力和不平衡力,輸出曲軸的中心軸承點的合力。
將獲得的激勵力加載在發(fā)動機(jī)缸體中心和曲軸中心位置,整車加速工況的載荷輸入見表1。
噪聲響應(yīng)點:一般前、中、后3排各取一點(如圖2所示)。
針對整車不同的工況分析,整車模型需要選擇相應(yīng)的模型狀態(tài)。各擋位具有不同的傳動比,可以通過在模型中建立的不同MPC來模擬,不同擋位的加速分析即可調(diào)用相對應(yīng)的MPC。針對整車加速工況設(shè)置的狀態(tài)見表2。
為了提高建模效率,縮短整個建模周期,整車發(fā)動機(jī)載荷獲取和CAE整車建模可同步進(jìn)行。首先獲取發(fā)動機(jī)激勵載荷,將載荷加載到整車模型,使用NVH集成開發(fā)工具生成分析的頭文件,然后提交計算,最后進(jìn)行結(jié)果的后處理。
2 整車加速工況仿真分析
加速工況噪聲響應(yīng)分析主要考察發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000~5 000 RPM時的噪聲響應(yīng),針對不同階次,頻率范圍不相同,需要將不同階次的響應(yīng)進(jìn)行overall的疊加,考察是否超過目標(biāo)值,加速狀態(tài)的相關(guān)目標(biāo)值可根據(jù)實際情況確定。
利用前面NVHD創(chuàng)建的某SUV樣車整車模型,經(jīng)過加速工況仿真分析得到前排駕駛員右耳噪聲響應(yīng)的曲線(如圖3所示)。
將仿真結(jié)果和測試結(jié)果進(jìn)行對比可以看出,仿真結(jié)果基本趨勢跟測試結(jié)果一致,在整個中低頻段重點關(guān)注的峰值上比較吻合,由此可以驗證基于HyperWorks的NVHD模塊創(chuàng)建的整車模型的準(zhǔn)確性。
3 仿真結(jié)果問題診斷分析
3.1 節(jié)點貢獻(xiàn)量分析
由前排駕駛員右耳加速噪聲響應(yīng)的曲線和測試曲線可以看出,在1 500轉(zhuǎn)和2 700轉(zhuǎn)附近仿真和測試結(jié)果曲線均有明顯的峰值,其中2 700轉(zhuǎn)處仿真結(jié)果和測試結(jié)果均已經(jīng)超出目標(biāo)管控線,屬于風(fēng)險較高的頻率點,需要重點關(guān)注,需要在整車開發(fā)早期對其進(jìn)行優(yōu)化控制。1 500轉(zhuǎn)仿真結(jié)果雖然未超目標(biāo)管控線,但1 500轉(zhuǎn)測試結(jié)果已超出目標(biāo)線且有明顯波峰,也屬于風(fēng)險較高的頻率,同樣需要進(jìn)行重點關(guān)注并優(yōu)化。
駕駛員右耳加速噪聲響應(yīng)曲線是由不同階次的響應(yīng)進(jìn)行overall疊加得到的(如圖4所示)。由圖4可以看出,1 500轉(zhuǎn)和2 700轉(zhuǎn)峰值均主要由二階激勵引起。
直列4缸發(fā)動機(jī)的激勵頻率計算如公式(1)所示。
公式(1)中,f為發(fā)動機(jī)激勵頻率,n為發(fā)動機(jī)發(fā)火階次,N為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。
根據(jù)公式(1),加速工況噪聲響應(yīng)曲線中1 500轉(zhuǎn)和2 700轉(zhuǎn)對應(yīng)的發(fā)動機(jī)二階激勵頻率為50 Hz和90 Hz。
整車加速工況噪聲分析屬于聲固耦合效應(yīng)的分析,噪聲是由于聲腔耦合面上的某些板塊的振動產(chǎn)生的,所以要解決噪聲峰值問題,應(yīng)該先找到對應(yīng)頻率下振動貢獻(xiàn)量較大的區(qū)域。節(jié)點貢獻(xiàn)量分析能直接輸出流固交界面上的節(jié)點對聲腔響應(yīng)點的貢獻(xiàn)量,因此通過節(jié)點貢獻(xiàn)量分析可以識別出問題峰值對應(yīng)頻率下流固交界面上主要貢獻(xiàn)區(qū)域。
為了找到加速工況噪聲響應(yīng)曲線中1 500轉(zhuǎn)和2 700轉(zhuǎn)處峰值的主要貢獻(xiàn)區(qū)域,對整車進(jìn)行節(jié)點貢獻(xiàn)量分析,默認(rèn)可輸出聲腔節(jié)點的貢獻(xiàn)量。
通過后處理節(jié)點貢獻(xiàn)量可視化操作,得到50 Hz和90 Hz二階激勵下的聲腔節(jié)點貢獻(xiàn)量云圖(如圖5、圖6所示)。
從圖5、圖6可以看到,聲腔流固交界面上畫圈部分為節(jié)點貢獻(xiàn)量較顯著的位置,因此該SUV樣車加速噪聲響應(yīng)50 Hz問題峰值主要貢獻(xiàn)來自尾門區(qū)域,90 Hz問題峰值主要貢獻(xiàn)來自前風(fēng)擋空調(diào)進(jìn)風(fēng)口附近區(qū)域。
3.2 ODS分析
絕大部分車內(nèi)加速噪聲問題是由動力總成激勵通過多條傳遞路徑傳遞到車內(nèi)引起的,為了有效地解決轟鳴噪聲問題,需要找出產(chǎn)生該問題的關(guān)鍵路徑[1]。加速工況下,發(fā)動機(jī)的振動通過車身傳遞,然后經(jīng)過車身板件和駕駛室內(nèi)聲腔進(jìn)行流固耦合,從而產(chǎn)生空氣擾動,引起車身轟鳴聲問題。
工作變形分析,即ODS分析(Operational Deformation Shape Analysis),是指實際工作狀態(tài)下物體的振動,描述了在某個特定頻率或時間下物體的受迫響應(yīng)。工作變形和模態(tài)振型不一樣,工作變形是隨著作用在結(jié)構(gòu)上的載荷不斷變化的。將常用的ODS分析法應(yīng)用于仿真分析中,從分析結(jié)果中能清楚地看到車身的震動傳遞路徑與車內(nèi)聲腔的噪聲傳遞路徑,可有的放矢地進(jìn)行震動傳遞路徑的優(yōu)化工作[2]。
針對50 Hz問題峰值,了解尾門區(qū)域及其周圍板件的結(jié)構(gòu)特性,利用發(fā)動機(jī)二階載荷激勵對整車進(jìn)行ODS仿真分析,結(jié)果如圖7所示。ODS分析結(jié)果可以看出,尾門上部和頂蓋后橫梁尾門安裝鉸鏈處變形較大,極有可能是尾門鉸鏈安裝板剛度不足,由車身處傳到尾門的振動剛好起到放大的作用。
同時,對該SUV聲腔模態(tài)進(jìn)行仿真分析,得到樣車帶座椅聲腔第一階縱向模態(tài)頻率為50.28 Hz,與該SUV樣車加速噪聲響應(yīng)50 Hz問題峰值頻率極為接近(如圖8所示)。圖8中模態(tài)形狀體現(xiàn)了聲腔壓力的變化,車身不同位置的壓力是不一樣的,其中車身尾部聲壓變化最大。當(dāng)聲腔受到外界激勵時,聲壓變化大的地方響應(yīng)也越大。
綜合尾門區(qū)域ODS分析結(jié)果及聲腔模態(tài)分析結(jié)果可以得知,發(fā)動機(jī)的振動通過車身結(jié)構(gòu)由尾門鉸鏈傳至尾門,尾門內(nèi)板的振動對車身聲腔起到擾動作用,迫使聲腔壓力發(fā)生變化,由于聲腔第一階縱向模態(tài)頻率跟尾門內(nèi)板的振動頻率剛好一致,所以產(chǎn)生了車內(nèi)轟鳴聲,在加速噪聲響應(yīng)曲線上表現(xiàn)為50 Hz處峰值較大。
針對90 Hz問題峰值,了解前風(fēng)擋空調(diào)進(jìn)風(fēng)口附近區(qū)域的結(jié)構(gòu)特性,利用發(fā)動機(jī)二階載荷激勵對整車進(jìn)行ODS仿真分析,結(jié)果如圖9所示。ODS分析結(jié)果可以看出,流水槽上雨刮電機(jī)安裝支架及前風(fēng)擋橫梁下板處均變形較大,有明顯的局部模態(tài)。
4 優(yōu)化方案
綜合上述分析結(jié)果,為了控制車內(nèi)加速轟鳴聲,首先針對50 Hz問題峰值噪聲響應(yīng),抑制尾門的工作變形,將尾門鉸鏈安裝板厚度由1.0 mm改為1.8 mm(如圖10所示)。然后針對90 Hz問題峰值噪聲響應(yīng),抑制前風(fēng)擋橫梁下板區(qū)域的工作變形,將流水槽上雨刮電機(jī)的安裝支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改,增加側(cè)安裝面,同時將安裝支架的厚度由原來的1.2 mm改為1.5 mm(如圖11、圖12所示)。
以上優(yōu)化方案只需在車身子系統(tǒng)中對相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改,接著在NVHD模塊中單獨對車身子系統(tǒng)進(jìn)行更新即可。重新對改進(jìn)后的整車模型進(jìn)行加速工況仿真分析,得到改進(jìn)后噪聲響應(yīng)結(jié)果(如圖13所示)。結(jié)果顯示,改進(jìn)后在1 500轉(zhuǎn)附近,前排駕駛員加速噪聲響應(yīng)下降了3.2 dB,在2 700轉(zhuǎn)附近,噪聲響應(yīng)下降了4.1 dB。
5 結(jié)語
本文在整車開發(fā)的前期階段,應(yīng)用HyperWorks的NVHD模塊建立了某SUV樣車NVH分析整車模型,并通過節(jié)點貢獻(xiàn)量分析和ODS分析,定位出問題響應(yīng)敏感區(qū)域,并對相關(guān)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過對優(yōu)化方案的仿真驗證,改進(jìn)后的響應(yīng)峰值得到明顯改善,形成一套完整的加速工況噪聲問題預(yù)測分析和控制方法,此方法為解決同類問題提供了參考和借鑒。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]趙文杰,唐培,劉濤,等.基于模態(tài)分析的整車加速轟鳴噪聲研究與優(yōu)化[J].上海汽車,2017(8):13-16.
[2]夏洪兵,劉偉,魏博雄,等.基于仿真ODS法的某SUV車NTF優(yōu)化[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)),2018(11):45-51.
[3]邵立軍,李京福,鄂世國,等.基于仿真分析的汽車加速轟鳴噪聲研究與優(yōu)化[J].北京汽車,2019(6):16-20.