浅谈汽车NVH结构仿真分析的理论及方法

浅谈汽车NVH结构仿真分析的理论及方法摘要：本文介绍了汽车NVH性能开发工作的必要性，NVH直接影响汽车的开发周期和成本，以及车型在市场和用户心目中的认可度，分析了车辆噪声和振动相关的原理，可以更好地理解噪声和振动的来源，列举了汽车NVH分析的方法和工具，便于应用在降低振动和噪声过程中，在提高读者对汽车NVH的理解的同时，促进汽车NVH控制水平的提高。关键词：NVH；噪声；振动；模态分析；前言NVH则是对噪音(Noise)、振动(Vibration)与声振粗糙度(Harshness)三种英文术语的简称,从三种角度对发动机可靠性做出了衡量。噪音、震动和舒适度直接关系客户对车辆的感受,随着生活水平的提升,人们越来越注重舒适,车辆NVH质量会改变客户的购车观念以及汽车的市场竞争力。1汽车NVH开发必要性消费者选车过程中,不仅关注汽车的外形、配置、安全、动力性等因素,还偏好美观时尚、灵动张扬,偏好大空间、少拥堵,偏好百公里加速度快,特别重视汽车声振和舒适度。做好企业NVH的市场调查对于企业的NVH发展首当其冲,汽车企业是基于消费者对车辆NVH品质的多样化要求,而开发并制造满足需要的汽车,避免生产出来产品需要反复修改和优化,提高市场认可度。提高产品的市场针对性,节约车辆的研发制造周期。研发出优秀的车辆NVH性能,可改善消费者的驾乘感受,更能反映车辆制造商开发实力与生产技术水平高低,直接影响市场销量和车企生存能力。2NVH分析的原理汽车NVH具有复杂性和综合性，涉及仿真分析、NVH性能开发以及NVH试验等方面。汽车NVH是物理学(或是力学)应用于控制车辆系统的噪声或振动行为，涉及的理论知识，主要包括声学知识、振动知识、单自由度知识、多自由度知识、隔振知识以及模态知识等，开展计算机仿真分析时，需要有限元基础理论。噪音就是使人觉得厌倦的噪声，车辆的噪音主要分为风噪、路噪、胎噪、发电机及驱动的电器噪声等，主要由频段、幅度以及噪声质量决定。声音质量主要包含响度、音量、声调、锐度、纯音率、对音质的控制，以及语言清晰度等几个方面的技术指标。响度是指人对音质的主观感觉。而锐度则是指音响高频部分和低频成份之间的比例。而如果一个较高频的人声因遮盖了其余高频的人声而听得十分明显，则称为纯音。震动，是指人体内可以感觉到的物质的运动，而驾乘人在车内可以感觉到的震动，还有发电机及驱动电器振动、方向盘震动、汽车底盘振动、车体构架震动、机械连接件震动等，主要是根据震动的频段、幅度和方位确定。声振粗糙度指的是人们对震动和噪音的主观感觉，是粗糙、刺耳、不和谐的感觉，是噪音与震动之间的综合作用结果，与震动和噪音的瞬态特性密切相关，因此无法简单地用客观测量方法进行测量。车路噪音是指车轮和道路间不断的冲击和磨擦等作用，对车内产生震动或噪音。从形成的机制分析，一般包括了结构噪音和空气噪声。结构噪音是指路面激励通过的轮胎、底盘悬架和车身结构在车内形成的中低频噪声。空气噪声主要是在轮胎和路面上之间相互作用产生的噪声通过空气传入车内的中高频噪声。运用汽车转动系统的转向节加速度反馈数据和模拟算法，确定了车轮中心力在测试部位的传递函数，从而获取了车轮离心力作用参数，对车辆在特殊工况下产生的路噪现象进行了模拟计算分析和优化。另外，空气噪声声源还包括从引擎、变速箱等发射的噪音，从引擎及其连接的配件发射的噪音，例如风扇，进排气噪音，还包括风噪。空气噪声透过汽车吸隔声材料抵达汽车内，并透过空隙和裂缝抵达汽车内，从而产生汽车内的震动或噪音。3NVH常用分析方法模态分析是深入研究体系动态特征的一类方法，通常使用于工程振动中，而模态分析又依据方法的差异，能够分成数值模态分析和试验模态解析。计算模式通常通过有限元求解的方式实现，每个阶次都对应着一个模式，而每个阶次都拥有自身特殊的速率、阻尼、以及模态系数。模态分析的主要目标在于确定出被测系统的模态数据，为构造体系的振动特征研究、振动故障诊断与预测以及对系统动态特征的优化设计奠定了基础。例如，汽车转向系统设计时，需要做模态分析，用来避免共振，导致方向盘出现较大的摆动，同时提高车辆稳定性。刚性是指构件或建筑材料抗弹性变化的性能，而因为构件或建筑材料所承受压力的差异，也可能引起静载荷或动负荷，所以，刚性也包括了静刚性和动刚性。静刚度是指当建筑构件或材料受到静载荷时，抵抗在静载荷下产生的结构变化的力量。例如汽车白车身设计时，需要做静刚度分析，用来评价白车身在车辆行驶过程中，抵抗变形的能力。动刚度是指结构或材料在动载荷下对抗变化的动能力，即为产生单元振幅所必须的动能力。而动刚性则可用结构的固定时间来度量，当动能化得很慢，或动能化的频次远远低于结构的固定次数时，即可视为动刚度与静止刚性一样。而当移动力的频谱与构造的固定频谱相同时，则会发生共振问题，此时动刚度很小，或变化较大。所以，动刚度主要反映了构造抗预定向移动激扰功能强的特点。原点动刚度IPI在定义上类似于原点频响函数，指的是在相同地点、同一个方向上的激励应力和位移之比。作为车辆接附点处的原点自动刚度分析，包括对车辆在发动机悬置、副车架、前悬挂连接、排气挂钩部等地方的局部区域整体动态强度，考查的是你所关心的频率范畴内各接附点处局部整体地区的强度水准，过低则会产生更大的噪音。传递函数，是指在零的起始状态下线性控制系统反馈(即输入输出)量的拉普拉斯变换(或z变换)与激发(即注入)量的拉普拉斯转换之比。记作G(s)=Y(s)/U(s)，这里Y(s)、U(s)分开是输入输出量与注入量之间的拉普拉斯变换。而传递函数则是描述复杂直线控制系统中动态特征的最基本数理工具之一，经典控制论的重要研究，频率响应法和根轨迹法都是构建在转换参数的基石上。整车设计时，一般都需要做振动传递函数VTF、噪声传递函数NTF分析，避免影响后期整车的振动噪声性能。传递路径分析(TransferPathAnalysis)分析其实就是从"源-路径-接受者"这三者进行识别和分析，常见的源有如路面、发动机或电机、冷却风扇等等，路径主要包括结构和声学路径，接受者主要是人的听觉和触觉(噪声和振动等)。能对不同构件的震动噪音来源和传播途径进行划分和排序，准确找出震动或噪音产生的原因，并广泛应用到整机研发的全部过程中。4NVH常用结构分析软件及流程在汽车NVH开发流程中，电脑仿真技术CAE起到了不可或缺的功能，能够有效减少设计与试验的反复，节约成本和开发周期。常用的计算模态分析软件，较常用的有Ansys、Abaqus、Adams、HyperWorks等，通用的分析流程主要为导入数据，通过几何清理、划网格、约束和工况定义等前处理过程，再通过计算和结果后处理过程，流程如图1所示，得出模态参数、静刚度、动刚度、NTF、VTF等，指导整车及零部件设计和优化，然后将计算结果与标杆车型进行对标，提升NVH性能。图1仿真分析流程图5结论根据对车辆NVH研究的需要，为了改善车辆NVH特性，必须限制其震动源和噪音源，并优化产生