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汽车舒适性要求越来越高，如何做好整车模型的振动噪声（NVH）分析？
2018-02-26 23:33:26·
摘要NVH是噪声、振动、舒适性（Noise、Vibration、Harshness）的英文缩写。这是衡量汽车制造质量的一个综合性问题。车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。NVH特性的研究不仅仅适用于整个汽车新产品的开发过程，而且适用于改进现有车型乘坐舒适性的研究。背景汽车振动噪声(NVH)性能分析通
摘要
NVH是噪声、振动、舒适性（Noise、Vibration、Harshness）的英文缩写。这是衡量汽车制造质量的一个综合性问题。车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。NVH特性的研究不仅仅适用于整个汽车新产品的开发过程，而且适用于改进现有车型乘坐舒适性的研究。
背景
汽车振动噪声(NVH)性能分析通常采用基于模态的有限元分析方法。如果把相关的频率范围提高且覆盖了大部分的声谱，就能提高这种分析的准确度。不过，是以牺牲模型尺寸为代价来提高准确度，因此需要精细划分网格才能准确捕获高频状态。
随着模型尺寸的增加，我们需要更高效的数值方法来将分析时间控制在合理范围内。Abaqus6.6版推出的Abaqus自动多层次子结构(AMS)特征求解器有助于满足这一要求。
随着6.7版推出新的SIM架构，Abaqus中基于模态的线性动力学的性能也得到相应提高。此外，SIM架构还具有扩展功能，包括损耗效应，从而能在稳态动力学(SSD)分析中使用结构阻尼和材料粘滞阻尼。
分析目的是，论证了典型的整车NVH分析如何能从Abaqus/AMS和基于SIM的SSD分析方法中获取更好的结果。
有限元分析法
图1：整车模型
图1所示的是当前分析中所使用的乘用车整体模型。我们将考虑两个SSD仿真。一个是仅针对结构的非耦合分析，另一个是包含车内空气的耦合分析。
Abaqus中基于模态的SSD分析包括两个分析步，一是特征值提取，随后是频率响应计算。对当前分析来说，频率提取范围的上限选定为450Hz，而频率响应计算最高为300Hz。
在两个分析中，车辆的滚动通过前轮转向节中心点施加集中载荷进行仿真。这在图1中标注为“驱动点”。所有材料应用结构阻尼，而车辆在每个车轮的底部施加约束。
非耦合结构分析
非耦合结构模型有271,872个单元，激活的自由度有1,703,161。AMS特征求解器在全局截止频率450 Hz下逼近2166个特征模态。与此形成对比的是，Lanczos特征求解器可计算2199个特征模式。AMS与Lanczos特征求解器采用不同的理论方法来确定特征解，因此在特定频率范围内会发现不同数量的特征值。
AMS特征求解器计算所得自然频率和Lanczos 特征求解器的相对误差请见图2。
图2: Abaqus/AMS所得的自然频率与Lanczos特征求解器所得结果的误差比较。
在全局截止频率450Hz下，相对误差低于1.15%。在300Hz下，也就是频率响应分析最关注的区域，误差低于0.45%。这说明AMS特征解算确定的频率响应函数中的共振峰值是准确的。图3给出了代表性的位移幅值轮廓图。
图3: 6.6 Hz对应的第十个结构特征模态
为了抵消求解特征频率数量限制造成的截断误差，可以在频率响应分析中引入残余模态。残余模态是通过结构承受一个单位载荷的静力学响应来表征的，单位载荷是与SSD中使用的真实载荷相对应的。
频率响应函数采用1Hz的增量在1Hz到300Hz的范围内进行计算。基于SIM的SSD分析程序的解算准确度通过与SSD直接法程序相比较进行定性评估。
请注意，直接求解SSD程序是以模型物理自由度直接进行计算的，求解分别在两个输出位置加以比较，一个是驾驶员侧的驱动点，另一个是传输点(图1)。
NVH是噪声、振动、舒适性（Noise、Vibration、Harshness）的英文缩写。这是衡量汽车制造质量的一个综合性问题。车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。NVH特性的研究不仅仅适用于整个汽车新产品的开发过程，而且适用于改进现有车型乘坐舒适性的研究。
背景
汽车振动噪声(NVH)性能分析通常采用基于模态的有限元分析方法。如果把相关的频率范围提高且覆盖了大部分的声谱，就能提高这种分析的准确度。不过，是以牺牲模型尺寸为代价来提高准确度，因此需要精细划分网格才能准确捕获高频状态。
随着模型尺寸的增加，我们需要更高效的数值方法来将分析时间控制在合理范围内。Abaqus6.6版推出的Abaqus自动多层次子结构(AMS)特征求解器有助于满足这一要求。
随着6.7版推出新的SIM架构，Abaqus中基于模态的线性动力学的性能也得到相应提高。此外，SIM架构还具有扩展功能，包括损耗效应，从而能在稳态动力学(SSD)分析中使用结构阻尼和材料粘滞阻尼。
分析目的是，论证了典型的整车NVH分析如何能从Abaqus/AMS和基于SIM的SSD分析方法中获取更好的结果。
有限元分析法
图1：整车模型
图1所示的是当前分析中所使用的乘用车整体模型。我们将考虑两个SSD仿真。一个是仅针对结构的非耦合分析，另一个是包含车内空气的耦合分析。
Abaqus中基于模态的SSD分析包括两个分析步，一是特征值提取，随后是频率响应计算。对当前分析来说，频率提取范围的上限选定为450Hz，而频率响应计算最高为300Hz。
在两个分析中，车辆的滚动通过前轮转向节中心点施加集中载荷进行仿真。这在图1中标注为“驱动点”。所有材料应用结构阻尼，而车辆在每个车轮的底部施加约束。
非耦合结构分析
非耦合结构模型有271,872个单元，激活的自由度有1,703,161。AMS特征求解器在全局截止频率450 Hz下逼近2166个特征模态。与此形成对比的是，Lanczos特征求解器可计算2199个特征模式。AMS与Lanczos特征求解器采用不同的理论方法来确定特征解，因此在特定频率范围内会发现不同数量的特征值。
AMS特征求解器计算所得自然频率和Lanczos 特征求解器的相对误差请见图2。
图2: Abaqus/AMS所得的自然频率与Lanczos特征求解器所得结果的误差比较。
在全局截止频率450Hz下，相对误差低于1.15%。在300Hz下，也就是频率响应分析最关注的区域，误差低于0.45%。这说明AMS特征解算确定的频率响应函数中的共振峰值是准确的。图3给出了代表性的位移幅值轮廓图。
图3: 6.6 Hz对应的第十个结构特征模态
为了抵消求解特征频率数量限制造成的截断误差，可以在频率响应分析中引入残余模态。残余模态是通过结构承受一个单位载荷的静力学响应来表征的，单位载荷是与SSD中使用的真实载荷相对应的。
频率响应函数采用1Hz的增量在1Hz到300Hz的范围内进行计算。基于SIM的SSD分析程序的解算准确度通过与SSD直接法程序相比较进行定性评估。
请注意，直接求解SSD程序是以模型物理自由度直接进行计算的，求解分别在两个输出位置加以比较，一个是驾驶员侧的驱动点，另一个是传输点(图1)。
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