基于NVHD整車模型的加速工況噪聲控制與優(yōu)化

鄭宏良 陳勝飛

【摘 要】文章主要闡述了某車型SUV在整車開發(fā)的前期階段，針對加速工況噪聲響應曲線中風險較高的峰值進行控制與優(yōu)化的方法。首先應用HyperWorks的NVHD模塊建立樣車整車模型，通過對比樣車仿真分析結果及測試結果，驗證了模型的準確性。然后根據3G-WOT加速工況仿真得到噪聲響應曲線，對存在的風險峰值頻率進行分析。運用節(jié)點貢獻量和ODS分析方法，定位出問題頻率的主要響應敏感區(qū)域，并對車身板件結構提出優(yōu)化方案。最后通過對優(yōu)化方案的驗證，證明了方案的有效性。

【關鍵詞】NVHD;節(jié)點貢獻量;ODS

【中圖分類號】U467.493 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0090-04

0 引言

隨著社會的發(fā)展和人們物質生活水平的不斷提升，汽車走進了越來越多的普通家庭，汽車的舒適性也越來越受到消費者的關注。整車NVH性能是影響車輛舒適性的重要因素之一，因此提升整車NVH性能對提升汽車品牌和客戶滿意度起到至關重要的作用。

目前，解決NVH問題的主要手段是試驗，但是近年來隨著計算機技術的發(fā)展，CAE虛擬仿真技術在提升整車NVH性能中發(fā)揮著越來越重要的作用。利用CAE分析技術對提升整車NVH性能，減少樣車整改時間，以及縮減整車開發(fā)成本起到很大的作用。

HyperWorks的NVHD模塊是為了滿足整車NVH建模和分析的需求，在HyperWorks下定制的工作環(huán)境，它集成了“福特”“通用”等OEM廠商數十年NVH分析經驗，是目前世界上同類產品中功能最強大，也是使用最廣泛的CAE-NVH建模分析及后處理工具。在NVHD中包含若干NVH相關的后處理工具，如模態(tài)貢獻量、板件貢獻量、節(jié)點貢獻量、傳遞路徑分析、能量分析等，它們具有強大的繪圖選項，可以實現從繪圖到模態(tài)動畫的無縫連接，可以方便分析人員更有效地辨識問題的源頭，并尋找到關鍵的解決方案。

本文將在整車開發(fā)的前期階段應用HyperWorks的NVHD模塊建立某樣車整車模型，然后進行3G-WOT（三擋全油門）加速工況仿真分析，得到駕駛員及乘員耳旁噪聲響應曲線。通過對比樣車仿真分析結果及測試結果，驗證了模型的準確性，并根據仿真分析結果，對存在風險峰值頻率進行分析。通過節(jié)點貢獻量分析和ODS分析，定位出問題響應敏感區(qū)域，并對車身板件進行結構優(yōu)化。通過對優(yōu)化方案的驗證，證明了方案的有效性。

1 基于NVHD搭建整車模型

本文以某車企SUV為原型，利用HyperWorks的NVHD模塊對其進行整車建模。建立的整車模型包括內飾車身、前懸架子系統(tǒng)、后懸架子系統(tǒng)、轉向子系統(tǒng)、動力子系統(tǒng)、制動子系統(tǒng)及輪胎。模型裝配完成后如圖1所示。

加速工況的激勵為發(fā)動機1 000～5000 RPM缸壓等效載荷。獲取激勵可通過發(fā)動機缸壓測試獲得。缸壓測試完成后，還需要進行載荷轉換。通過在多體動力學分析軟件中建立發(fā)動機MBD模型，根據缸壓測試數據計算燃燒力、慣性力和不平衡力，輸出曲軸的中心軸承點的合力。

將獲得的激勵力加載在發(fā)動機缸體中心和曲軸中心位置，整車加速工況的載荷輸入見表1。

噪聲響應點：一般前、中、后3排各取一點（如圖2所示）。

針對整車不同的工況分析，整車模型需要選擇相應的模型狀態(tài)。各擋位具有不同的傳動比，可以通過在模型中建立的不同MPC來模擬，不同擋位的加速分析即可調用相對應的MPC。針對整車加速工況設置的狀態(tài)見表2。

為了提高建模效率，縮短整個建模周期，整車發(fā)動機載荷獲取和CAE整車建模可同步進行。首先獲取發(fā)動機激勵載荷，將載荷加載到整車模型，使用NVH集成開發(fā)工具生成分析的頭文件，然后提交計算，最后進行結果的后處理。

2 整車加速工況仿真分析

加速工況噪聲響應分析主要考察發(fā)動機轉速為1 000～5 000 RPM時的噪聲響應，針對不同階次，頻率范圍不相同，需要將不同階次的響應進行overall的疊加，考察是否超過目標值，加速狀態(tài)的相關目標值可根據實際情況確定。

利用前面NVHD創(chuàng)建的某SUV樣車整車模型，經過加速工況仿真分析得到前排駕駛員右耳噪聲響應的曲線（如圖3所示）。

將仿真結果和測試結果進行對比可以看出，仿真結果基本趨勢跟測試結果一致，在整個中低頻段重點關注的峰值上比較吻合，由此可以驗證基于HyperWorks的NVHD模塊創(chuàng)建的整車模型的準確性。

3 仿真結果問題診斷分析

3.1 節(jié)點貢獻量分析

由前排駕駛員右耳加速噪聲響應的曲線和測試曲線可以看出，在1 500轉和2 700轉附近仿真和測試結果曲線均有明顯的峰值，其中2 700轉處仿真結果和測試結果均已經超出目標管控線，屬于風險較高的頻率點，需要重點關注，需要在整車開發(fā)早期對其進行優(yōu)化控制。1 500轉仿真結果雖然未超目標管控線，但1 500轉測試結果已超出目標線且有明顯波峰，也屬于風險較高的頻率，同樣需要進行重點關注并優(yōu)化。

駕駛員右耳加速噪聲響應曲線是由不同階次的響應進行overall疊加得到的（如圖4所示）。由圖4可以看出，1 500轉和2 700轉峰值均主要由二階激勵引起。

直列4缸發(fā)動機的激勵頻率計算如公式（1）所示。

公式（1）中，f為發(fā)動機激勵頻率，n為發(fā)動機發(fā)火階次，N為發(fā)動機轉速。

根據公式（1），加速工況噪聲響應曲線中1 500轉和2 700轉對應的發(fā)動機二階激勵頻率為50 Hz和90 Hz。

整車加速工況噪聲分析屬于聲固耦合效應的分析，噪聲是由于聲腔耦合面上的某些板塊的振動產生的，所以要解決噪聲峰值問題，應該先找到對應頻率下振動貢獻量較大的區(qū)域。節(jié)點貢獻量分析能直接輸出流固交界面上的節(jié)點對聲腔響應點的貢獻量，因此通過節(jié)點貢獻量分析可以識別出問題峰值對應頻率下流固交界面上主要貢獻區(qū)域。

為了找到加速工況噪聲響應曲線中1 500轉和2 700轉處峰值的主要貢獻區(qū)域，對整車進行節(jié)點貢獻量分析，默認可輸出聲腔節(jié)點的貢獻量。

通過后處理節(jié)點貢獻量可視化操作，得到50 Hz和90 Hz二階激勵下的聲腔節(jié)點貢獻量云圖（如圖5、圖6所示）。

從圖5、圖6可以看到，聲腔流固交界面上畫圈部分為節(jié)點貢獻量較顯著的位置，因此該SUV樣車加速噪聲響應50 Hz問題峰值主要貢獻來自尾門區(qū)域，90 Hz問題峰值主要貢獻來自前風擋空調進風口附近區(qū)域。

3.2 ODS分析

絕大部分車內加速噪聲問題是由動力總成激勵通過多條傳遞路徑傳遞到車內引起的，為了有效地解決轟鳴噪聲問題，需要找出產生該問題的關鍵路徑[1]。加速工況下，發(fā)動機的振動通過車身傳遞，然后經過車身板件和駕駛室內聲腔進行流固耦合，從而產生空氣擾動，引起車身轟鳴聲問題。

工作變形分析，即ODS分析（Operational Deformation Shape Analysis），是指實際工作狀態(tài)下物體的振動，描述了在某個特定頻率或時間下物體的受迫響應。工作變形和模態(tài)振型不一樣，工作變形是隨著作用在結構上的載荷不斷變化的。將常用的ODS分析法應用于仿真分析中，從分析結果中能清楚地看到車身的震動傳遞路徑與車內聲腔的噪聲傳遞路徑，可有的放矢地進行震動傳遞路徑的優(yōu)化工作[2]。

針對50 Hz問題峰值，了解尾門區(qū)域及其周圍板件的結構特性，利用發(fā)動機二階載荷激勵對整車進行ODS仿真分析，結果如圖7所示。ODS分析結果可以看出，尾門上部和頂蓋后橫梁尾門安裝鉸鏈處變形較大，極有可能是尾門鉸鏈安裝板剛度不足，由車身處傳到尾門的振動剛好起到放大的作用。

同時，對該SUV聲腔模態(tài)進行仿真分析，得到樣車帶座椅聲腔第一階縱向模態(tài)頻率為50.28 Hz，與該SUV樣車加速噪聲響應50 Hz問題峰值頻率極為接近（如圖8所示）。圖8中模態(tài)形狀體現了聲腔壓力的變化，車身不同位置的壓力是不一樣的，其中車身尾部聲壓變化最大。當聲腔受到外界激勵時，聲壓變化大的地方響應也越大。

綜合尾門區(qū)域ODS分析結果及聲腔模態(tài)分析結果可以得知，發(fā)動機的振動通過車身結構由尾門鉸鏈傳至尾門，尾門內板的振動對車身聲腔起到擾動作用，迫使聲腔壓力發(fā)生變化，由于聲腔第一階縱向模態(tài)頻率跟尾門內板的振動頻率剛好一致，所以產生了車內轟鳴聲，在加速噪聲響應曲線上表現為50 Hz處峰值較大。

針對90 Hz問題峰值，了解前風擋空調進風口附近區(qū)域的結構特性，利用發(fā)動機二階載荷激勵對整車進行ODS仿真分析，結果如圖9所示。ODS分析結果可以看出，流水槽上雨刮電機安裝支架及前風擋橫梁下板處均變形較大，有明顯的局部模態(tài)。

4 優(yōu)化方案

綜合上述分析結果，為了控制車內加速轟鳴聲，首先針對50 Hz問題峰值噪聲響應，抑制尾門的工作變形，將尾門鉸鏈安裝板厚度由1.0 mm改為1.8 mm（如圖10所示）。然后針對90 Hz問題峰值噪聲響應，抑制前風擋橫梁下板區(qū)域的工作變形，將流水槽上雨刮電機的安裝支架進行結構更改，增加側安裝面，同時將安裝支架的厚度由原來的1.2 mm改為1.5 mm（如圖11、圖12所示）。

以上優(yōu)化方案只需在車身子系統(tǒng)中對相應結構進行更改，接著在NVHD模塊中單獨對車身子系統(tǒng)進行更新即可。重新對改進后的整車模型進行加速工況仿真分析，得到改進后噪聲響應結果（如圖13所示）。結果顯示，改進后在1 500轉附近，前排駕駛員加速噪聲響應下降了3.2 dB，在2 700轉附近，噪聲響應下降了4.1 dB。

5 結語

本文在整車開發(fā)的前期階段，應用HyperWorks的NVHD模塊建立了某SUV樣車NVH分析整車模型，并通過節(jié)點貢獻量分析和ODS分析，定位出問題響應敏感區(qū)域，并對相關車身結構進行優(yōu)化。通過對優(yōu)化方案的仿真驗證，改進后的響應峰值得到明顯改善，形成一套完整的加速工況噪聲問題預測分析和控制方法，此方法為解決同類問題提供了參考和借鑒。

參 考 文 獻

[1]趙文杰，唐培，劉濤，等.基于模態(tài)分析的整車加速轟鳴噪聲研究與優(yōu)化[J].上海汽車，2017（8）：13-16.

[2]夏洪兵，劉偉，魏博雄，等.基于仿真ODS法的某SUV車NTF優(yōu)化[J].重慶理工大學學報（自然科學），2018（11）：45-51.

[3]邵立軍，李京福，鄂世國，等.基于仿真分析的汽車加速轟鳴噪聲研究與優(yōu)化[J].北京汽車，2019（6）：16-20.