隨著汽車的不斷普及和換代，消費者對汽車的舒適性要求越來越高，其中作為顧客可直接感受的汽車NVH 性能備受顧客和汽車廠商的關注。在世界著名的汽車質量評估機構J.D. Power 評估汽車質量性能指標中近三分之一的質量指標與汽車NVH 性能相關。然而，與安全性、油耗等性能不同，NVH 缺乏具有權威性的通用規(guī)范和標準，因此，在研發(fā)過程中如何進行整車NVH 性能的設計與控制是值得探討的重要課題。
隨著計算機等技術的發(fā)展，CAE 技術已融入到國內(nèi)外成熟汽車企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)流程中，在整車NVH 開發(fā)中發(fā)揮了越來越重要的作用。
整車
整車NVH 問題根據(jù)傳遞路徑不同，分為由發(fā)動機和路面激勵引起的車內(nèi)結構振動和結構輻射噪聲問題（圖1）
圖1 車身結構振動和結構輻射噪聲
以及由發(fā)動機輻射噪聲、路面噪聲、風激勵噪聲、排氣噪聲等通過鈑金件、聲學包和孔隙等傳遞到車內(nèi)引起的空氣傳播噪聲問題（圖2）。
圖2 空氣傳播噪聲
整車振動與噪聲問題與頻率相關（圖3）。
圖3 NVH 問題與頻率的關系
低頻時，主要表現(xiàn)為發(fā)動機和路面引起的振動和噪聲問題，對應的CAE 分析方法主要為有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM） 和邊界元法（Boundary Element Method，BEM）；高頻時，主要表現(xiàn)為與密封及聲學內(nèi)外飾相關的空氣噪聲問題，對應的CAE 方法主要為統(tǒng)計能量法（StatisticalEnergy Analysis，SEA）；而中頻時，主要通過使用混合模型解決相關的NVH 問題。
針對不同的NVH 問題，不同的CAE 仿真分析手段已經(jīng)融入到整車開發(fā)階段中，特別是在試驗樣車和工裝樣車之前，通過虛擬驗證整車NVH性能，并通過優(yōu)化改進，大大降低了整車振動噪聲問題風險，提升了開發(fā)成功率。不同企業(yè)的整車開發(fā)流程存在一定差異，但一般均包括預研、概念設計、詳細設計、試驗驗證、試制、投產(chǎn)等幾個階段，整車NVH CAE 分析主要涉及整車開發(fā)中的概念設計、詳細設計、試驗驗證等幾個階段。概念設計階段，主要通過結合基礎車和性能標桿車的仿真和試驗結果，并考慮市場定位和成本等因素，確定整車和系統(tǒng)NVH 目標大綱，并通過CAE 優(yōu)化，在概念設計方案上提出初步優(yōu)化建議；詳細設計階段，主要針對整車詳細設計方案，通過CAE 分析和優(yōu)化，提供詳盡的優(yōu)化設計方案并實施；試驗驗證階段，主要通過分析試驗樣車測試結果，針對存在的NVH 問題，結合CAE 模型和分析結果，提供改進建議。整車NVH 性能開發(fā)，借助相關的CAE 手段，從整車、車身、懸置系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)和聲學包系統(tǒng)等影響整車NVH 性能較大的子系統(tǒng)出發(fā)，研究
和改進整車NVH 性能。下文針對不同的系統(tǒng)，介紹相關的CAE 分析技術以及在工程實踐中的應用。
整車NVH 仿真分析是CAE 技術的難點，其中建模方面需主要解決整車復雜模型標定、輪胎模態(tài)模型建立、阻尼材料準確描述等技術難題。建立整車精確和完整的有限元模型（圖4）
圖4 整車FEM 模型
該模型可用于分析動力總成階次激勵引起的結構輻射噪聲和關鍵位置振動，其中發(fā)動機激勵可以使用理論值或通過測試懸置上下加速度相應計算出激勵力；或用于計算不同路面、不同車速下車內(nèi)結構輻射噪聲，計算結果曲線如圖5 所示。
圖5 勻速車內(nèi)噪聲曲線
車身
車身NVH 是CAE 技術應用較為成熟的領域，國內(nèi)外汽車企業(yè)對于車身NVH 已經(jīng)做了大量的仿真和優(yōu)化工作，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
車身與振動激勵源之間主要通過軟墊連接，但如果車身連接點動剛度過低或存在特定頻率段下的共振，無論如何設計軟墊剛度都難以滿足隔振要求，因此，足夠的車身連接點動剛度就變得非常關鍵。通過靈敏度分析，進行車身與動力總成、底盤、進排氣等連接點動剛度優(yōu)化（圖6）[2] 可以快速找出問題根源，并提出合理的解決方案。
圖6 動剛度弱點靈敏度分析
（2）衡量車身結構噪聲特性的常用指標是車身噪聲傳遞函數(shù)（Noise Transfer Function，NTF），即車身與底盤、動力總成、排氣系統(tǒng)等的連接點施加單位激勵力，得到車內(nèi)人耳處噪聲響應值。通常，通過阻尼材料 或結構進行車身噪聲靈敏度的優(yōu)化和改進。
在車身設計過程中，在物理樣車出來之前，通過形貌優(yōu)化或連接點動剛度優(yōu)化，達到了降低車身聲學靈敏度的效果，并且在大量的工程實踐中得到應用（圖7）。同時，更為廣義的車身聲學靈敏度在工程實踐中也得到了應用。如通過在動力總成質心位置沿曲軸轉動方向施加單位轉矩的掃頻激勵，來研究車內(nèi)噪聲靈敏度。該方法綜合考慮了所有懸置、進排氣吊耳、副車架在內(nèi)的影響，對問題研究和整改有重要意義（圖8）。
懸置系統(tǒng)
動力總成懸置系統(tǒng)是最重要的隔振元件，它能隔離發(fā)動機動力總成系統(tǒng)傳遞到車身的振動，隔離路面的激勵對發(fā)動機動力總成的振動，支撐和固定動力總成，控制動力總成的轉矩負載和激勵力，它對整車NVH 性能控制起著十分重要的作用。
目前，CAE 技術已經(jīng)成功應用于懸置系統(tǒng)的開發(fā)設計中，國內(nèi)外汽車企業(yè)在懸置系統(tǒng)NVH 開發(fā)方面做了一系列的仿真和優(yōu)化工作。
圖9 懸置系統(tǒng)的分析模型
進氣系統(tǒng)
進氣系統(tǒng)噪聲是汽車主要噪聲源之一，對車內(nèi)外噪聲貢獻較大。運用一維聲學仿真軟件對進
氣系統(tǒng)進氣口進行噪聲仿真。圖10 為某進氣系統(tǒng)一維噪聲仿真模型，通過進氣口麥克風得出噪聲頻譜圖和發(fā)動機額定轉速范圍總聲壓級及階次圖（圖10），為進氣系統(tǒng)設計和優(yōu)化提供依據(jù)。
進氣系統(tǒng)聲學設計主要考慮消聲容積、管道截面積、進氣歧管位置等，同時通過增加赫姆霍茲諧振腔和1/4 波長管等共振消聲器來達到降低進氣噪聲的目的。
圖10 進氣系統(tǒng)一維噪聲仿真模型
排氣系統(tǒng)
排氣系統(tǒng)噪聲源主要包括空氣噪聲、沖擊噪聲、輻射噪聲和氣流摩擦噪聲，對車內(nèi)外噪聲均
有較大貢獻。其中，排氣尾管噪聲是排氣噪聲最重要的考察指標，它取決于發(fā)動機聲源特性和排氣系統(tǒng)的插入損失。
目前，運用CAE 技術優(yōu)化排氣系統(tǒng)NVH 問題在國內(nèi)外工程實踐中的應用已經(jīng)非常成熟。與進氣系統(tǒng)一樣，我們運用一維噪聲仿真軟件對排氣系統(tǒng)排氣口進行噪聲仿真。圖11 為某排氣系統(tǒng)尾管噪聲仿真模型，通過在排氣口設置麥克風來得到排氣噪聲頻譜圖和發(fā)動機額定轉數(shù)內(nèi)的聲壓級及階次圖（圖11）。
圖11 某排氣系統(tǒng)一維噪聲仿真模型
聲學包
汽車發(fā)動機噪聲、進排氣噪聲、風噪、路面噪聲等各種車外噪聲入射到車身，一部分反射回
去，一部分通過縫隙、車體結構和聲學包傳遞到車內(nèi)。除車體密封和車體結構外，聲學包對噪聲到車內(nèi)的傳播起著非常重要的作用。目前，一些商用軟件已經(jīng)在聲學包高頻分析上得到了大量應用。
聲學包SEA 分析主要包括以下步驟：根據(jù)模態(tài)相似性原則，基于車身和內(nèi)飾CAD 數(shù)模或有限元數(shù)模建立對應的SEA 子系統(tǒng)；通過材料參數(shù)模擬或試驗方式獲取部件聲學特性；根據(jù)車身結構子系統(tǒng)建立車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)；根據(jù)車身結構子系統(tǒng)建立SEA 子系統(tǒng)之間的聯(lián)系；通過理想測試和實際工況下的噪聲激勵和響應結果，進行模型校驗；用校驗后的模型進行聲學響應分析、聲學包優(yōu)化、分解部件聲學目標值，并研究確定最終聲學包方案。
部件聲學傳遞損失STL 獲取 |
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