MSCNASTRAN在汽车NVH中的应用

MSC/NASTRAN在汽车NVH中的应用泛亚汽车技术中心有限公司顾彦何波摘要本文使用MSC/NASTRAN建立了某轿车的整车动力学模型，并对其结构模态、声学模态，行驶平顺性等NHV性能进行了模拟预测，并提出改进方案。实践证明，应用MSC/NASTRAN结构有限元分析软件能很好地模拟汽车的NVH性能，并为改善其性能提供快速准确的依据。1前言随着汽车工业的发展，人们对汽车的要求越来越高，振动、噪声等NVH性能已经成为与机械性能和安全性能同样重要的购买要素。面对日益激烈的市场竞争，各汽车公司致力于在较短的时间里，以较低的成本开发出性能更优越，乘坐更舒适的汽车。计算机技术的空前发展，计算方法的不断改进，计算软件的不断地推陈出新，使得CAE技术以其快速高效和低成本成为汽车NVH设计的重要手段。而MSC/NASTRAN正是CAE技术得以广泛应用的有效工具。在以往的汽车振动分析中，由于计算机性能的限制，往往采用高度简化的模型以减少分析的自由度，其精度也受到很大的限制，这样的模型不可能很好地模拟整车的运动。因此，该模型只能作为汽车最初设计阶段的参考。而随着计算机容量和性能的不断提高，对整车的振动噪声进行系统地模拟已经成为可能。基于CAE技术，分别建立汽车的车身、悬架、动力总成、声腔、座椅乘员等子系统的有限元模型，再装配成整车模型。这里用MSC/NASTRAN动态分析模块(SOL103，SOL107~SOL112)模拟汽车的工作状态，在整车CAE模型上施加相应动态载荷，计算出动态响应，得到相应动态性能，进行评估和优化设计。2整车动力学模型建立一个比较精确恰当的整车模型是NVH分析的前提。建立整车系统NVH模型，主要包括以下几个方面：(1)白车身白车身有限元模型是整车模型的载体和基础，占据了整车模型中的绝大多数自由度。在MSC/PATRAN软件中，直接输入CAD数模，并对各钣金件划分网格，建立有限元模型。在划分过程中应注意对CAD数模的必要简化，例如：去除一些并不影响计算结果小的倒角和小孔等，以大大减少自由度和划分难度。然后，对各零件进行“计算机拼装”，根据经验，我们用刚性单元处理焊点，用弹簧单元代替车身与风窗玻璃和车身之间的黏合。对建好的白车身模型可进行静态和模态计算，以确定和不断改进其静态、动态刚度。图1为白车身模型。图1白车身有限元模型(2)详细车身在白车身模型基础上，加上其它车身部件模型，得到详细车身模型。车门、引擎盖、行李箱盖、车灯等以集中质量和刚性单元的形式加到白车身上。如蓄电池、备胎、散热器等部件虽然对整体动态刚度影响不大，但对整体质量矩阵有很大影响，必须予以考虑。对于仪表、内饰、地毯甚至油漆等，则采用非结构质量加在白车身模型上。(3)声腔用MSC/NASTRAN中的三维SOLID声学单元对车内的空腔划分网格，建立车内声腔的声学有限元模型。主要用于声模态和车内噪声的计算。(4)悬架系统悬架系统是路面不平至车身的主要传递路径，同时也是传递发动机怠速振动的重要途径，在整车系统中非常重要。大多数的悬架部件如控制臂、转向节、制动盘等可以用刚性单元模拟，但不能忽略它们的质量信息。而稳定杆、扭转横梁等用梁单元模拟，弹簧、减振器等则用相应的弹簧阻尼单元，轮胎可用简单的弹簧单元也可以由根据模态试验得到的“模态轮胎”。各个部件之间相连的橡胶衬套的刚度和阻尼特性非常重要，不能忽视对它们的精确模拟。(5)动力总成由于动力总成的第一阶弹性模态频率远远高于NVH分析所感兴趣的频率范围，因此，在整车模型中，动力总成可以被认为是刚体，但必须较精确地测量它的质量性质。可以用PLOTEL单元连成动力总成外轮廓，以便观察其振动状态。另外，发动机悬置的位置和性质对于整车NVH性能非常重要，一个好的发动机悬置不仅能隔离发动机振动，还能吸收路面不平引起的振动，因此对于它们的优化是NVH分析重要工作之一。(6)转向系统转向系统的振动会直接引起驾驶员的不适和抱怨，因此，在必要情况下须较详细地模拟转向系统。一般用梁单元来模拟方向盘，转向柱则用SHELL单元或SOLID单元。和车身连接的支架用SHELL单元。用SOLID单元划分万向节，但得注意局部座标间的关系。转向系统的模型见图2。图2转向系统(7)座椅乘员系统NVH分析中最重要的响应是乘员的响应。根据国外的大量试验，我们在垂直方向建立一个两自由度模型，拟合一个坐姿的人的传递函数。整车模型见图3图3整车模型3模态分析模态分析是NVH分析的基础，一方面通过模态分析，可以获知结构或声腔的共振频率，从而通过动力修改避开共振区；另一方面，模态分析是分析处理大型复杂结构动力学问题的有效手段，将物理座标转换为模态座标后，能以较少的自由度全面而相当精确地描述一个复杂结构的振动特性，大大地简化了问题的分析计算。MSC/NASTRANSOL103提供了强大稳定的模态分析功能。(1)白车身的模态分析白车身的模态是车身设计的重要指标之一。在车身及其它系统设计修改过程中，必须不断改进车身，通过提高白车身的模态频率和动态刚度，来避免出现由于整车系统固有频率过低(接近外来激励频率，人体自然频率等)而造成的性能缺陷。另一方面，由白车身的振型，观察发生强烈变形的部位，可以初步判断该部位刚度较弱，可能成为车内噪声的震源或主要传递途径，需及早予以改进加强。图4是白车身的第一阶弯曲模态。图4白车身第一阶弯曲模态(2)声模态分析有限元法不仅可以用于结构分析，还可以用于内部声场分析。用MSC/NASTRAN计算车内声腔的固有频率和振型，可以为汽车设计提供多种信息。例如，如何通过修改声腔的几何形状和尺寸改变其固有声学特性，如何有效地安置吸声材料等等。另外，声腔模态分析也是声—结构耦合分析的基础。图5车内声腔的前两阶声模态(3)整车模态分析在整车结构模型建好以后，可进行整车模态分析。整车模态分析可以辨识出悬架的模态、发动机模态、车身模态，以及它们之间是否有耦合，从而为改进设计提供依据。4平顺性分析(1)脉冲载荷分析用SOL112瞬态响应来计算汽车分别以10~60km/h的速度通过特定的三角形凸块是的响应。在轮胎接地处以位移时间的形式加入瞬态强迫位移。图6是汽车以20km/h的速度通过凸块时的响应的时间历程。图6汽车以20km/h的速度通过凸块时的瞬态响应(2)随机响应分析随机响应分析是计算汽车通过路面时的响应。将路面不平度的功率谱密度作为四个车轮的输入，计算多输入多输出随机响应。同时还可计算出响应的加权均方根值，以评价汽车的平顺性。图7是汽车以70km/h的速度通过B级路面是的加速度功率谱密度。6结论由上述汽车NVH的CAE技术实际应用情况以及计算结果，可以看出，在汽车设计中，应利用CAE技术推进整车及零部件的NVH设计，作为CAE技术的比较有效的分析工具MSC/NASTRAN能够较好地模拟汽车的整车及零部件工作性能，为工程设计人员提供极大的便利，提高了开发效率，节省开发成本。