基于SnRD的整車內(nèi)飾異響仿真及優(yōu)化

黎謙 顧曉丹 常光寶 李書陽(yáng) 余義

【關(guān)鍵詞】異響;相對(duì)位移;SnRD;E-line;模態(tài)貢獻(xiàn)量

【中圖分類號(hào)】U472 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）08-0051-04

近年來(lái)，隨著各主機(jī)廠正向開(kāi)發(fā)能力的提升，國(guó)產(chǎn)汽車的NVH性能有了很大的改善。針對(duì)由動(dòng)力總成和路面引起的NVH問(wèn)題，目前有了成熟的解決方案。對(duì)于車內(nèi)的主要NVH問(wèn)題，已經(jīng)從發(fā)動(dòng)機(jī)、道路噪聲逐漸過(guò)渡為異響（如圖1所示）。異響是指一切讓駕駛員或者乘客感覺(jué)不舒服的異常的聲音。從表現(xiàn)形式上，主要分為敲擊異響、摩擦異響兩大類。異響產(chǎn)生的原因復(fù)雜，涉及的專業(yè)非常多。對(duì)于異響問(wèn)題，之前更多的是通過(guò)DMU檢查及樣車調(diào)校預(yù)防和解決。仿真方面，關(guān)于異響的分析主要包括模態(tài)、剛度、振動(dòng)靈敏度三大類。這些分析可以在一定程度上降低異響發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，但是不能在開(kāi)發(fā)前期預(yù)測(cè)車輛的異響性能狀況，并提供針對(duì)性的解決方案。因此，異響開(kāi)發(fā)流程中迫切需要補(bǔ)充一種更加直接有效的仿真方案。

1 E-line方法和SnRD

無(wú)論是敲擊異響還是摩擦異響，其產(chǎn)生都有一個(gè)必要條件——部件之間發(fā)生相對(duì)位移（如圖2所示）。E-line方法正是基于這一原理，兩個(gè)有相互接觸風(fēng)險(xiǎn)的部件，都可以作為異響的考察對(duì)象。E-line方法會(huì)在兩個(gè)部件之間生成一系列節(jié)點(diǎn)對(duì)（Evaluation point），每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)由一組“rbe3-cbush-rbe3”單元組成（如圖3所示）。通過(guò)輸出cbush單元端點(diǎn)在局部坐標(biāo)系下的位移獲取該位置在車輛行駛過(guò)程中的相對(duì)位移。最終，通過(guò)仿真相對(duì)位移與“設(shè)計(jì)間隙/容差”或者“材料相容性參數(shù)”的比較，預(yù)測(cè)敲擊異響和摩擦異響的風(fēng)險(xiǎn) [1]。

SnRD（Squeak and Rattle Director），是一個(gè)基于E-line方法，結(jié)合工程實(shí)踐的異響仿真解決方案。該技術(shù)方案在國(guó)外有超過(guò)10年的成功經(jīng)驗(yàn)，使用者包括Calsonic Kansei North America，F(xiàn)CA，PSA，SCANIA CV AB等。完整的SnRD技術(shù)路線包括內(nèi)飾建模、載荷提取、E-line創(chuàng)建、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、設(shè)計(jì)優(yōu)化5個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的以模態(tài)剛度為主的異響仿真分析相比，采用SnRD技術(shù)路線可以為異響性能正向開(kāi)發(fā)提供更廣闊的思路：①準(zhǔn)確定位有異響風(fēng)險(xiǎn)的具體區(qū)域;②區(qū)分不同路面、不同車速下的異響性能;③指導(dǎo)設(shè)計(jì)調(diào)整零部件之間的間隙、容差;④指導(dǎo)材料選型。

2 內(nèi)飾建模及E-line創(chuàng)建

在SnRD技術(shù)路線的內(nèi)飾建模中，考慮了卡扣剛度和預(yù)緊力的影響。不同的卡扣類型，其卡接剛度是不一樣的。不同的卡接剛度必然對(duì)應(yīng)不同的異響性能。傳統(tǒng)的仿真分析中，不同卡扣的建模方式通常是相同的且沒(méi)有考慮卡扣的實(shí)際定位方向及剛度。這種建模方式可能對(duì)低階模態(tài)頻率的影響較小，但是不足以支撐包含中高階模態(tài)貢獻(xiàn)的SnRD分析。在SnRD內(nèi)飾建模中，卡扣的連接用rbe2-cbush-rbe2模擬，卡扣連接剛度體現(xiàn)在cbush單元的剛度屬性上。根據(jù)卡扣實(shí)際定位方向，建立局部坐標(biāo)系，不同方向附以不同的剛度值（如圖4所示）。

SnRD內(nèi)飾建模中，對(duì)預(yù)緊力也做了模擬（如圖5所示）。對(duì)預(yù)緊力的模擬，一方面提高了模型的準(zhǔn)確性，另一方面可以分析摩擦異響的風(fēng)險(xiǎn)。

E-line創(chuàng)建可以通過(guò)SnRD前處理工具實(shí)現(xiàn)。理論上，任何需要關(guān)注異響現(xiàn)象的位置都可以創(chuàng)建E-line。實(shí)際上，主要是通過(guò)設(shè)計(jì)提供的DTS（Dimensional Technical Specification）文件（見(jiàn)表1）定位E-line創(chuàng)建位置。除此之外，同平臺(tái)車型之前出現(xiàn)過(guò)異響問(wèn)題的區(qū)域也是需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

3 載荷提取

SnRD分析的載荷有多種來(lái)源，可以滿足不同公司在不同開(kāi)發(fā)階段的分析需求。

3.1 虛擬路譜結(jié)合模態(tài)輪胎的激勵(lì)方式

這種加載方式適用于有較強(qiáng)整車仿真分析能力的主機(jī)廠。仿真分析可以最早介入異響開(kāi)發(fā)流程，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)大規(guī)模凍結(jié)之前提供有效的優(yōu)化方案和預(yù)防措施。載荷來(lái)源不依賴于樣車，可以很方便地分析不同路面、不同車速下的異響性能。

3.2 減震器強(qiáng)迫位移激勵(lì)

本文采用的加載方式適用于大多數(shù)主機(jī)廠，首先將樣車以一定的車速駛過(guò)相應(yīng)的異響路面，用加速度傳感器記錄4個(gè)減震器位置的加速度激勵(lì)。然后將加速度信號(hào)通過(guò)積分及濾波轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)，作為最終加載在TB模型減震器安裝點(diǎn)的激勵(lì)數(shù)據(jù)（如圖6所示）。

這種激勵(lì)方式的缺點(diǎn)是載荷依賴于樣車且只能模擬有限路面及車速下的異響問(wèn)題，它的優(yōu)點(diǎn)是載荷的準(zhǔn)確度高，避開(kāi)了輪胎及底盤模型帶來(lái)的仿真誤差。

3.3 內(nèi)飾安裝點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)載荷激勵(lì)

這種加載方式適合于內(nèi)飾供應(yīng)商。對(duì)于內(nèi)飾裝配在車身上的安裝點(diǎn)，可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷譜。內(nèi)飾供應(yīng)商在內(nèi)飾開(kāi)發(fā)的時(shí)候，即使沒(méi)有車身數(shù)據(jù)，也可以用此載荷模擬內(nèi)飾系統(tǒng)本身的異響性能。

4 異響分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

SnRD采用模態(tài)時(shí)域分析方法，輸出結(jié)果為bush端節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系下的絕對(duì)位移。通過(guò)軟件自動(dòng)化處理，即可得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)所在位置兩個(gè)部件之間的相對(duì)位移。

敲擊異響和摩擦異響采用不同的評(píng)價(jià)方法。對(duì)于敲擊異響，用節(jié)點(diǎn)對(duì)在分析時(shí)間范圍內(nèi)的“最大相對(duì)位移”與該區(qū)域的間隙進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷其風(fēng)險(xiǎn)。需要注意的是，這里的“最大相對(duì)位移”并非時(shí)域曲線的最大值，而是將相對(duì)位移從大到小進(jìn)行排序，取前百分比的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。這種做法在工程上被證明是行之有效的 [2]。尺寸公差設(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)有容差的影響。因此，某區(qū)域的實(shí)際間隙總體上呈“均值為設(shè)計(jì)間隙，標(biāo)準(zhǔn)差為設(shè)計(jì)容差”的正態(tài)分布。最終，敲擊異響的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)用正態(tài)分布下的累積分布函數(shù)表示，是一個(gè)介于0～100%的百分比數(shù)，稱之為風(fēng)險(xiǎn)率（如圖7所示）。

對(duì)于摩擦異響，需要用到“材料相容性參數(shù)”進(jìn)行評(píng)估。不同材料之間發(fā)生摩擦?xí)r，出現(xiàn)異響的情況是不一樣的。這種情況可以通過(guò)測(cè)試其相容性參數(shù)來(lái)描述。比如，對(duì)于某兩種材料，它們之間發(fā)生一次黏滑現(xiàn)象（一次黏滑現(xiàn)象對(duì)應(yīng)一次摩擦音）需要的最小位移是0.5 mm。在分析工況下，如果部件之間的相對(duì)位移大于0.5 mm，那么說(shuō)明有發(fā)生摩擦異響的風(fēng)險(xiǎn);反之則無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

本文以儀表板的敲擊異響結(jié)果為例。在同平臺(tái)車型中，顯示屏附近區(qū)域出現(xiàn)過(guò)敲擊異響的情況。因此，在新項(xiàng)目正向開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)考查。分析結(jié)果顯示，顯示屏附近區(qū)域有非常高的發(fā)生敲擊異響的風(fēng)險(xiǎn)，與之前實(shí)際經(jīng)驗(yàn)吻合。如圖8所示，畫圈所示為相對(duì)位移較大區(qū)域，即發(fā)生敲擊異響風(fēng)險(xiǎn)率大的區(qū)域。表2為該區(qū)域下不同具體位置具體的風(fēng)險(xiǎn)率數(shù)值。

5 診斷優(yōu)化及實(shí)車驗(yàn)證

對(duì)于異響問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行診斷，主要的診斷方法為相對(duì)模態(tài)貢獻(xiàn)量分析。模態(tài)時(shí)域分析采用了模態(tài)疊加法，因此對(duì)于某個(gè)響應(yīng)可以得到最大貢獻(xiàn)的模態(tài)。

上式中，u（t）表示時(shí)域下的位移;N表示模態(tài)階數(shù);mi表示第i階模態(tài)下的模態(tài)位移;φi表示第i階模態(tài)的參與因子。

模態(tài)貢獻(xiàn)量結(jié)果可以通過(guò)軟件自動(dòng)獲取。如圖9所示，圖9（a）為進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)量分析的E-line（風(fēng)險(xiǎn)位置）;圖9（b）為該E-line里各節(jié)點(diǎn)對(duì)的相對(duì)位移情況;圖9（c）為模態(tài)貢獻(xiàn)量結(jié)果柱狀圖，按照各階模態(tài)對(duì)總響應(yīng)的貢獻(xiàn)從大到小進(jìn)行排列;圖9（d）為最大貢獻(xiàn)模態(tài)的模態(tài)振型。通過(guò)模態(tài)貢獻(xiàn)量分析可以知道，該區(qū)域敲擊異響風(fēng)險(xiǎn)率高的原因在于顯示屏的振動(dòng)模態(tài)較低且振幅較大。

根據(jù)診斷結(jié)果，提出了以下3個(gè)優(yōu)化措施：？譹？訛將顯示屏安裝支架的材料由PC+ABS替換成PP-GF25（如圖10所示）。？譺？訛中間裝飾板上增加一個(gè)卡子，與儀表板安裝支架卡接（如圖11所示）。？譻？訛封窗組件連接部分加強(qiáng)（如圖12所示）。

采用以上3個(gè)優(yōu)化措施后，該位置的敲擊異響風(fēng)險(xiǎn)率明顯降低（見(jiàn)表3）。在后期實(shí)車主觀評(píng)價(jià)過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的敲擊異響問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種全新的用于異響性能開(kāi)發(fā)的仿真解決方案。該方案著眼于產(chǎn)生異響的直接原因——部件之間發(fā)生相對(duì)位移，依托國(guó)外豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合仿真軟件的高度自動(dòng)化，為異響工程師在項(xiàng)目前期預(yù)測(cè)異響風(fēng)險(xiǎn)、規(guī)避異響問(wèn)題提供強(qiáng)有力的幫助。通過(guò)該方法，從仿真出發(fā)解決了平臺(tái)車型存在的敲擊異響問(wèn)題，提升了車輛的NVH性能及產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Jens W，Ismail B.Squeak & Rattle Simulation-A Success Enabler in the Development of the New Saab 9-5 Cockpit without Prototype Hardware[J].Sae International Journal of Passenger Cars Mechanical Systems，2010，3（1）：936-947.

[2]Jens W，Ismail B.Squeak & Rattle Correlation in Time Domain using the SAR-LINE Method[J].SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems，2012，5（3）：1124-1132.