NTF技术在车辆NVH性能开发中的应用

1/6NTF技术在车辆NVH性能开发中的应用霍俊焱1，邓江华1，王海洋1（1中国汽车技术研究中心）[摘要]系统介绍了NTF分析在设计开发阶段和试验验证阶段的应用，重点包括NTF目标值设定方法、NTF仿真模型搭建方法、提高NTF模型精度、NTF仿真优化步骤、NTF试验测量方法。提出了优化仿真NTF曲线峰值的PSA方法，运用此方法可以快速定位导致NTF曲线峰值的问题板件及变形模式，对其针对性的优化设计，给出PSA法在设计阶段和试验验证阶段使用案例，验证其有效性。关键词：汽车性能，NVH仿真，NTF分析，目标值设定，模型精度，PSA，NVH调教ApplicationofNTFinthedevelopmentofvehicleNVHperformanceHuojunyan1，Dengjianghua1，Wanghaiyang1（1ChinaAutomotiveTechnology&ResearchCenter）[Abstract]TheapplicationofNTFinthedesignandteststageisintroduced,includingNTFtargetsetting,NTFmodelbuilding,modelprecision,stepsofsimulationandtest,NTFtestmethods.ThePSAmethodisproposedforsimulationandoptimizationofthepeakofNTFcurve,usingthismethodcanquicklylocateproblematicplateanddeformationmode,thecasesofthePSAmethodapplicationareshowedanditseffectivenessareproved.Keywords：Vehicleperformance,NVHsimulation,NTFanalysis,Targetsetting,Precision,PSA1.引言随着车辆的普及，乘用车NVH（NoiseVibrationandHarshness）性能越来越受到关注。乘用车为了降低成本和减少油耗等要求，车身设计的越来越轻，而消费者对NVH性能的要求却越来越高，这对NVH性能开发提出了挑战。NTF（NoiseTransferFunction）分析是车辆NVH性能开发过程关键分析项，它的本质是激励点到响应点的声振传递函数，一般在NVH中激励点指底盘与车身接附点、响应点指驾驶员右耳。NTF是车身声学响应对激励点敏感度的反映，低敏感度车身对NVH性能是有益的，为了降低车身敏感度，一般将NTF曲线峰值控制在60dB以下。本文系统介绍了NTF分析在车辆设计开发阶段和试验验证阶段的应用，提出了优化NTF仿真曲线峰值的PSA方法，给出了PSA方法在设计开发阶段和试验验证阶段使用案例，验证了PSA方法的有效性。2.NTF在设计开发阶段的应用NTF分析一般在车身概念数据发放节点开始，车身硬模数据发放结束。整个过程包括NTF目标值设定、NTF仿真模型搭建、NTF计算和优化。NTF仿真模型包括TB车身和乘员舱声腔模型，TB车身模型定义为整车模型中去除底盘和动力总成得到的模型。2.1NTF分析理论介绍NTF分析理论基础是声振耦合有限元法，对TB车身和乘员舱声腔分别有限元建模，耦合车身和声腔模2/6型求解计算。采用空气单元形函数及声学波动方程，可导出声腔有限元状态方程[1]，类似可导出结构振动有限元方程[2]：M{p̈}+C{ṗ}+K{p}+ρ[R]{U}̈=0(1)[M]Ü+[C]U̇+[K]{U}={F}+{F}(2)式(1)中，MCKρ[R]分别为空气质量矩阵、空气阻尼矩阵、空气刚度矩阵和结构声学耦合质量矩阵。{p}为空气单元节点声压向量，U为节点位移向量。式(2)中，[][][]{}分别为结构质量矩阵、结构阻尼矩阵、结构刚度矩阵和结构外激励，{}为界面声压向量。将乘员舱声腔和TB车身有限元方程联立得到结构振动-声腔耦合有限元方程组。利用此模型可以研究TB车身模态、声腔模态对NTF影响。另外可采用板件贡献量分析、模态贡献量分析、相关性分析等研究问题的板件、模态和传递路径。2.2NTF目标值设定在进行系统的NTF分析计算前，需要对NTF所要达到的目标进行设定，用于后期NTF分析结果评价，工程上一般有2种方法对此目标值进行设定，经验值法和对标车法。需要注意的是设定的NTF目标值并不是在开发过程中一成不变的，可以根据设计情况进行动态调整。Ø经验值法：对要求较高的车辆NTF目标值设定为55dB，要求一般的车辆NTF目标值设定为60dB，要求稍低车辆NTF目标值设定为65dB。Ø对标车法：选取3~4辆对标车辆，进行对标车NTF测试，将几辆对标车NTF均值作为新开发车辆NTF目标值，案例参见附表1。2.2NTF仿真模型设置及精度调整采用模态频率响应法对车身结构和声腔耦合有限元模型NTF计算，底盘和动力总成与车身的连接点施加幅值为1N、频率范围20-200Hz激励和4%模态阻尼，结构模态和声腔模态频率截断到500Hz，计算输出驾驶员右耳声压。某款TB车身模型和乘员舱声腔模型如图1和图2所示。图1某款车TB车身模型图2某款车乘员舱声腔模型TB车身模型和声腔模型精度决定了NTF分析精度，建模过程是一项复杂的工作，需要注意以下问题：ØTB车身定义为从整车上拆除动力总成、底盘形成的车身系统，如果副车架与车身之间连接未通过橡胶衬套连接而是刚性连接，模型中也应该包括副车架模型;Ø车身上质量小于0.5Kg的附件可以忽略，不影响模型精度;Ø座椅需要建模成传声材料;图3和图4为某款车型右悬置Z向和1号排气吊钩Y向NTF仿真分析曲线和试验测试曲线对比，150Hz之内仿真和试验误差小于3dB，150Hz~200Hz精度稍差，试验NTF曲线峰值对应的频率基本在仿真模型中得到反映，仿真分析NTF曲线满足工程要求。3/6图3右悬置Z向NTF对比图41号排气吊钩Y向NTF对比2.3NTF优化方法不能满足目标值的NTF曲线说明车身可能不满足项目要求，需要对车身进行优化使NTF曲线达标，目前所使用的NTF优化方法主要有结构模态共振分析法和板件贡献量分析法：第1种方法主要认为问题频率点附近对应的车身结构模态共振是产生NTF曲线峰值的主要原因，需要优化模态振型来消除NTF曲线峰值，一般情况下模态振型中位移最大的位置不一定是对NTF需要优化的部位，优化部位需要凭经验判定，对使用者经验要求较高；第2种方法认为问题频率附近大板件模态共振是产生NTF曲线峰值的主要原因，通过商用软件对问题频点车身大板件进行板件贡献量分析，得到板件对NTF曲线峰值贡献量排序，可以找出贡献量最大的板件，此方法相对于第1种方法可以找出车身上需要优化板件，但是运用此方法时定义的板件很多是地板、顶盖这类的大板件，即使得到需要优化板件，板件上具体优化位置也无法给出解答。本文提出一种PSA（Panel-Structure-Acoustics）优化法，运用此种方法可相对精确找出板件上具体优化位置。PSA法认为车身结构和声腔在问题频率附近的模态被激发起来，同时问题板件发生强烈振动，需要优化的位置是问题板件中可以激励起声腔模态的区域。PSA法结合板件贡献量分析、车身结构模态贡献量分析和声腔模态贡献量分析共同确定优化位置，使用PSA法遵循以下步骤:（1）确认NTF曲线的激励点动刚度达到工程要求，若动刚度不达到目标要求，需要先优化动刚度至达标；（2）找出问题频率，计算问题频率点板件贡献量，找出贡献量最大的板件A；（3）计算问题频率点声腔模态贡献量，找出贡献量最大的声腔模态波峰区域B；（4）板件A与区域B重合的区域C就是板件需要体优化区域；（5）计算问题频率点结构模态贡献量，确定贡献量最大的车身结构模态，找出此模态中区域C的变形模式D；（6）针对板件A的区域C及其变形模式D进行优化。2.4PSA法在分析优化过程使用案例在某款MPV车型开发过程中，左后减震器安装点Y向NTF目标值设定为63dB，计算后发现左后减震器安装点Y向NTF曲线存在未达标峰值，未达标频率点在136Hz附近。图5为左后减震器安装点结构形式，图6为未达标NTF曲线。红线：试验值蓝线：仿真值红线：试验值蓝线：仿真值4/6图5左后减震器安装点结构形式图6未达标NTF曲线首先确认了左后减震器安装点Y动刚度达到工程要求，排除其影响，再次对此频点进行板件贡献量分析，结果如图7所示，显示顶盖贡献量最大，声腔模态分析结果显示顶盖前部为模态声压波峰区域，基于PSA法确定顶盖前部为优化区域，TB模型在135Hz模态贡献量最大，对应顶盖前部变形模式如图8所示，通过变形模式初步判定顶盖前部刚度较低。图7板件贡献量分析结果图8顶盖模态振型针对顶盖前部区域进行起筋优化，优化前后顶盖对比如图9和图10所示，优化后NTF曲线在135Hz已经达到目标值要求，NTF曲线如图11所示。图9优化前顶盖图10优化后顶盖图11优化后NTF曲线3.NTF在试验验证阶段的应用3.1NTF试验方法介绍NTF试验测量一般在半消声室内进行，采用力锤激励法测TB车身NTF曲线，TB车身定义为从整车上拆除动力总成、底盘形成的车身系统。底盘、动力总成与车身的接附点位置用力锤激励，数字采集系统采集驾驶员右耳声压响应得到NTF曲线，测试频率带宽范围一般为0～512Hz，分辨率为1Hz。测量TB车身NTF主顶盖贡献量所有板件贡献量之和5/6要目的通常有2个：Ø掌握在各接附点激励下，驾驶员右耳位置产生的声学响应频域特性，用于分析识别NVH调教过程出现的问题。Ø用于仿真分析NTF曲线对标，调整仿真模型，得到精度更高的仿真模型，实现仿真计算辅助NVH试验调教。图12待测量NTF的TB车身图13激励位置-左前减震器接附点3.2PSA法在NVH调教过程使用案例某款车型NVH性能调教3WOT实验过程中，发动机4426RPM车内出现轰鸣音，驾驶员右耳总声压级曲线和2阶次曲线在4426RPM都存在明显峰值，对应激励频率147Hz，TB车身右悬置安装点Y向NTF仿真分析曲线147Hz附近也存在明显峰值，峰值大小61dB，所以初步判定此轰鸣音与右悬置有关。53001600rpm80.0040.00dB(A)Pa1.000.00Amplitude4426.00FOveralllevelDRE-驾驶员右耳声压级FOrder2.00DRE-驾驶员右耳声压级图143WOT驾驶员右耳声压级曲线图15右悬置安装点Y向NTF曲线右悬置点Y向动刚度仿真计算动刚度为5400N/mm，高于一般车型此位置动刚度水平，并且在147Hz附近没有明显的峰值，据此推测右悬置自身结构没有问题，轰鸣音是由车身覆盖件模态引起的，采用PSA法进行优化分析确定贡献最大的板件为顶盖后部，据此思路将顶盖后部布置加速度传感器并进行3WOT实验，测量其加速度响应，发现顶盖后部加速度垂向振动在4426RPM附近存在峰值，在顶盖后部堆积沙袋，再次进行实验，4426RPM顶盖后部加速度垂向响应峰值消失，驾驶员右耳声压级曲线4426RPM处峰值消失，证明了PSA法识别的顶盖后部147Hz模态是曲线峰值原因。最终设计147Hz吸振器安装于顶盖后横梁，再次进行3WOT实验，NTF试验曲线4426RPM处峰值消失。6/65500.001600.00LinearrpmTacho2(T2)0.390.02Amplitude(RMS)g1.000.00Amplitude4459.93F顶棚后部加速度:+Z未加沙袋F顶棚后部加速度:+Z加沙袋图16顶盖后部垂向加速度对比5100.001600.00rpm80.0050.00dB(A)Pa1.000.00Amplitude4426.00FOveralllevelDRE-驾驶员右耳声压级-未安装吸振器FOveralllevelDRE-驾驶员右耳声压级-安装吸振器图17安装吸振器前后3WOT曲线对比4.总结本文系统的总结介绍了NTF分析和测