MSCNASTRAN在汽車NVH中的應(yīng)用

1、MSC/NASTRAN在汽車NVH中的應(yīng)用泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 顧彥 何波 摘要本文使用MSC/NASTRAN建立了某轎車的整車動力學(xué)模型，并對其結(jié)構(gòu)模態(tài)、聲學(xué)模態(tài)，行駛平順性等NHV性能進(jìn)行了模擬預(yù)測，并提出改進(jìn)方案。實(shí)踐證明，應(yīng)用MSC/NASTRAN結(jié)構(gòu)有限元分析軟件能很好地模擬汽車的NVH性能，并為改善其性能提供快速準(zhǔn)確的依據(jù)。 1 前言 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車的要求越來越高，振動、噪聲等NVH性能已經(jīng)成為與機(jī)械性能和安全性能同樣重要的購買要素。面對日益激烈的市場競爭，各汽車公司致力于在較短的時(shí)間里，以較低的成本開發(fā)出性能更優(yōu)越，乘坐更舒適的汽車。計(jì)算機(jī)技術(shù)的空前發(fā)展，計(jì)算

2、方法的不斷改進(jìn)，計(jì)算軟件的不斷地推陳出新，使得CAE技術(shù)以其快速高效和低成本成為汽車NVH設(shè)計(jì)的重要手段。而MSC/NASTRAN正是CAE技術(shù)得以廣泛應(yīng)用的有效工具。 在以往的汽車振動分析中，由于計(jì)算機(jī)性能的限制，往往采用高度簡化的模型以減少分析的自由度，其精度也受到很大的限制，這樣的模型不可能很好地模擬整車的運(yùn)動。因此，該模型只能作為汽車最初設(shè)計(jì)階段的參考。而隨著計(jì)算機(jī)容量和性能的不斷提高，對整車的振動噪聲進(jìn)行系統(tǒng)地模擬已經(jīng)成為可能。基于CAE技術(shù)，分別建立汽車的車身、懸架、動力總成、聲腔、座椅乘員等子系統(tǒng)的有限元模型，再裝配成整車模型。這里用MSC/NASTRAN動態(tài)分析模塊(SOL 1

3、03，SOL107SOL112)模擬汽車的工作狀態(tài)，在整車CAE模型上施加相應(yīng)動態(tài)載荷，計(jì)算出動態(tài)響應(yīng)，得到相應(yīng)動態(tài)性能，進(jìn)行評估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2 整車動力學(xué)模型 建立一個(gè)比較精確恰當(dāng)?shù)恼嚹Ｐ褪荖VH分析的前提。建立整車系統(tǒng)NVH模型，主要包括以下幾個(gè)方面： (1) 白車身 白車身有限元模型是整車模型的載體和基礎(chǔ)，占據(jù)了整車模型中的絕大多數(shù)自由度。在MSC/PATRAN軟件中，直接輸入CAD數(shù)模，并對各鈑金件劃分網(wǎng)格，建立有限元模型。在劃分過程中應(yīng)注意對CAD數(shù)模的必要簡化，例如：去除一些并不影響計(jì)算結(jié)果小的倒角和小孔等，以大大減少自由度和劃分難度。然后，對各零件進(jìn)行“計(jì)算機(jī)拼裝”，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)

4、，我們用剛性單元處理焊點(diǎn)，用彈簧單元代替車身與風(fēng)窗玻璃和車身之間的黏合。對建好的白車身模型可進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)計(jì)算，以確定和不斷改進(jìn)其靜態(tài)、動態(tài)剛度。圖1為白車身模型。 圖1白車身有限元模型(2) 詳細(xì)車身 在白車身模型基礎(chǔ)上，加上其它車身部件模型，得到詳細(xì)車身模型。車門、引擎蓋、行李箱蓋、車燈等以集中質(zhì)量和剛性單元的形式加到白車身上。如蓄電池、備胎、散熱器等部件雖然對整體動態(tài)剛度影響不大，但對整體質(zhì)量矩陣有很大影響，必須予以考慮。對于儀表、內(nèi)飾、地毯甚至油漆等，則采用非結(jié)構(gòu)質(zhì)量加在白車身模型上。 (3) 聲腔 用MSC/NASTRAN中的三維SOLID聲學(xué)單元對車內(nèi)的空腔劃分網(wǎng)格，建立車內(nèi)聲腔的

5、聲學(xué)有限元模型。主要用于聲模態(tài)和車內(nèi)噪聲的計(jì)算。 (4) 懸架系統(tǒng) 懸架系統(tǒng)是路面不平至車身的主要傳遞路徑，同時(shí)也是傳遞發(fā)動機(jī)怠速振動的重要途徑，在整車系統(tǒng)中非常重要。大多數(shù)的懸架部件如控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、制動盤等可以用剛性單元模擬，但不能忽略它們的質(zhì)量信息。而穩(wěn)定桿、扭轉(zhuǎn)橫梁等用梁單元模擬，彈簧、減振器等則用相應(yīng)的彈簧阻尼單元，輪胎可用簡單的彈簧單元也可以由根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)得到的“模態(tài)輪胎”。各個(gè)部件之間相連的橡膠襯套的剛度和阻尼特性非常重要，不能忽視對它們的精確模擬。 (5) 動力總成 由于動力總成的第一階彈性模態(tài)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NVH分析所感興趣的頻率范圍，因此，在整車模型中，動力總成可以被認(rèn)為是剛

6、體，但必須較精確地測量它的質(zhì)量性質(zhì)。可以用PLOTEL單元連成動力總成外輪廓，以便觀察其振動狀態(tài)。另外，發(fā)動機(jī)懸置的位置和性質(zhì)對于整車NVH性能非常重要，一個(gè)好的發(fā)動機(jī)懸置不僅能隔離發(fā)動機(jī)振動，還能吸收路面不平引起的振動，因此對于它們的優(yōu)化是NVH分析重要工作之一。 (6) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動會直接引起駕駛員的不適和抱怨，因此，在必要情況下須較詳細(xì)地模擬轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。一般用梁單元來模擬方向盤，轉(zhuǎn)向柱則用SHELL單元或SOLID單元。和車身連接的支架用SHELL單元。用SOLID單元?jiǎng)澐秩f向節(jié)，但得注意局部座標(biāo)間的關(guān)系。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型見圖2。圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (7) 座椅乘員系統(tǒng) NVH分析中

7、最重要的響應(yīng)是乘員的響應(yīng)。根據(jù)國外的大量試驗(yàn)，我們在垂直方向建立一個(gè)兩自由度模型，擬合一個(gè)坐姿的人的傳遞函數(shù)。整車模型見圖3 圖3 整車模型 3 模態(tài)分析 模態(tài)分析是NVH分析的基礎(chǔ)，一方面通過模態(tài)分析，可以獲知結(jié)構(gòu)或聲腔的共振頻率，從而通過動力修改避開共振區(qū)；另一方面，模態(tài)分析是分析處理大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題的有效手段，將物理座標(biāo)轉(zhuǎn)換為模態(tài)座標(biāo)后，能以較少的自由度全面而相當(dāng)精確地描述一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動特性，大大地簡化了問題的分析計(jì)算。MSC/NASTRAN SOL103 提供了強(qiáng)大穩(wěn)定的模態(tài)分析功能。 (1) 白車身的模態(tài)分析 白車身的模態(tài)是車身設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一。在車身及其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)修改過

8、程中，必須不斷改進(jìn)車身，通過提高白車身的模態(tài)頻率和動態(tài)剛度，來避免出現(xiàn)由于整車系統(tǒng)固有頻率過低(接近外來激勵(lì)頻率，人體自然頻率等)而造成的性能缺陷。 另一方面，由白車身的振型，觀察發(fā)生強(qiáng)烈變形的部位，可以初步判斷該部位剛度較弱，可能成為車內(nèi)噪聲的震源或主要傳遞途徑，需及早予以改進(jìn)加強(qiáng)。圖4是白車身的第一階彎曲模態(tài)。 圖 4 白車身第一階彎曲模態(tài) (2) 聲模態(tài)分析 有限元法不僅可以用于結(jié)構(gòu)分析，還可以用于內(nèi)部聲場分析。用MSC/NASTRAN計(jì)算車內(nèi)聲腔的固有頻率和振型，可以為汽車設(shè)計(jì)提供多種信息。例如，如何通過修改聲腔的幾何形狀和尺寸改變其固有聲學(xué)特性，如何有效地安置吸聲材料等等。另外，聲腔

9、模態(tài)分析也是聲結(jié)構(gòu)耦合分析的基礎(chǔ)。 圖5 車內(nèi)聲腔的前兩階聲模態(tài) (3) 整車模態(tài)分析 在整車結(jié)構(gòu)模型建好以后，可進(jìn)行整車模態(tài)分析。整車模態(tài)分析可以辨識出懸架的模態(tài)、發(fā)動機(jī)模態(tài)、車身模態(tài)，以及它們之間是否有耦合，從而為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 4平順性分析 (1) 脈沖載荷分析 用SOL112瞬態(tài)響應(yīng)來計(jì)算汽車分別以1060km/h的速度通過特定的三角形凸塊是的響應(yīng)。在輪胎接地處以位移時(shí)間的形式加入瞬態(tài)強(qiáng)迫位移。圖6是汽車以20km/h的速度通過凸塊時(shí)的響應(yīng)的時(shí)間歷程。 圖 6 汽車以20km/h的速度通過凸塊時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng) (2) 隨機(jī)響應(yīng)分析 隨機(jī)響應(yīng)分析是計(jì)算汽車通過路面時(shí)的響應(yīng)。將路面不平度的功率譜密度作為四個(gè)車輪的輸入，計(jì)算多輸入多輸出隨機(jī)響應(yīng)。同時(shí)還可計(jì)算出響應(yīng)的加權(quán)均方根值，以評價(jià)汽車的平順性。圖7是汽車以70km/h的速度通過B級路面是的加速度功率譜密度。