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(guān)注。在世界著名的汽車質(zhì)量評估機構(gòu)J.D. Power 評估汽車質(zhì)量性能指標中近三分之一的質(zhì)量指標與汽車NVH 性能相關(guān)。然而，與安全性、油耗等性能不同，NVH 缺乏具有權(quán)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(shè)計與控制是值得探討的重要課題。
隨著計算機等技術(shù)的發(fā)展，CAE 技術(shù)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(jié)構(gòu)振動和結(jié)構(gòu)輻射噪聲問題（圖1）
圖1 車身結(jié)構(gòu)振動和結(jié)構(gòu)輻射噪聲
以及由發(fā)動機輻射噪聲、路面噪聲、風(fēng)激勵噪聲、排氣噪聲等通過鈑金件、聲學(xué)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(guān)（圖3）。
圖3 NVH 問題與頻率的關(guān)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(yīng)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(xué)內(nèi)外飾相關(guān)的空氣噪聲問題，對應(yīng)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(guān)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(fēng)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(yù)研、概念設(shè)計、詳細設(shè)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(shè)計、詳細設(shè)計、試驗驗證等幾個階段。概念設(shè)計階段，主要通過結(jié)合基礎(chǔ)車和性能標桿車的仿真和試驗結(jié)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(shè)計方案上提出初步優(yōu)化建議；詳細設(shè)計階段，主要針對整車詳細設(shè)計方案，通過CAE 分析和優(yōu)化，提供詳盡的優(yōu)化設(shè)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(jié)果，針對存在的NVH 問題，結(jié)合CAE 模型和分析結(jié)果，提供改進建議。整車NVH 性能開發(fā)，借助相關(guān)的CAE 手段，從整車、車身、懸置系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)和聲學(xué)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(guān)的CAE 分析技術(shù)以及在工程實踐中的應(yīng)用。
整車NVH 仿真分析是CAE 技術(shù)的難點，其中建模方面需主要解決整車復(fù)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(shù)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(jié)構(gòu)輻射噪聲和關(guān)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(yīng)計算出激勵力；或用于計算不同路面、不同車速下車內(nèi)結(jié)構(gòu)輻射噪聲，計算結(jié)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(shù)應(yīng)用較為成熟的領(lǐng)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(shè)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(guān)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(jié)構(gòu)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(yīng)值。通常，通過阻尼材料 或結(jié)構(gòu)進行車身噪聲靈敏度的優(yōu)化和改進。
在車身設(shè)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(xué)靈敏度的效果，并且在大量的工程實踐中得到應(yīng)用（圖7）。同時，更為廣義的車身聲學(xué)靈敏度在工程實踐中也得到了應(yīng)用。如通過在動力總成質(zhì)心位置沿曲軸轉(zhuǎn)動方向施加單位轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于懸置系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)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(xué)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(fēng)得出噪聲頻譜圖和發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速范圍總聲壓級及階次圖（圖10），為進氣系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。
進氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)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(shù)優(yōu)化排氣系統(tǒng)NVH 問題在國內(nèi)外工程實踐中的應(yīng)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(shè)置麥克風(fēng)來得到排氣噪聲頻譜圖和發(fā)動機額定轉(zhuǎn)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(xué)包
汽車發(fā)動機噪聲、進排氣噪聲、風(fēng)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(jié)構(gòu)和聲學(xué)包傳遞到車內(nèi)。除車體密封和車體結(jié)構(gòu)外，聲學(xué)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(xué)包高頻分析上得到了大量應(yīng)用。
聲學(xué)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)?；蛴邢拊獢?shù)模建立對應(yīng)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(xué)特性；根據(jù)車身結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)建立車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)；根據(jù)車身結(jié)構(gòu)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(yīng)結(jié)果，進行模型校驗；用校驗后的模型進行聲學(xué)響應(yīng)分析、聲學(xué)包優(yōu)化、分解部件聲學(xué)目標值，并研究確定最終聲學(xué)包方案。
部件聲學(xué)傳遞損失STL 獲取 |
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