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、座椅乘员等各子系统的有限元模型，再装配成整车模型。这里使用MSC/NASTRAN动态分析模块(SOL 103，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/NASTRAN SOL103 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显示车内声腔的前两阶声模态振型。
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。
图 7 汽车以70km/h的速度通过B级路面时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。
汽车NVH综合技术 前言 第一篇汽车NVH概述 第一章汽车NVH介绍 第一节汽车NVH设计思路 一、主观评价的重要性 二、现场感受的重要性 三、理解发生原理 四、CAE的应用 五、实验的应用 第二节NVH基础知识 一、声音的基础理论 二、人类的听觉特性 三、等响度曲线 四、计权网络 五、倍频程 六、人体的振动感觉特性 第三节NVH设计项目及评价标准 参考文献 第二篇汽车行驶工况与NVH现象 第二章发动机起动时车体振动 参考文献 第三章发动机起动时噪声 第一节发动机噪声 一、发动机噪声对整车噪声的贡献 二、发动机噪声目标 三、发动机噪声测试 第二节发动机音质 一、曲轴系弯曲振动引起的半阶次振动 二、转矩变动引起的半阶次振动 三、其他的半阶次振动 参考文献 第四章怠速振动 第一节怠速时车身振动 第二节空档加速时车身振动 第三节怠速品质 参考文献 第五章怠速噪声 第一节车外噪声 第二节变速器噪声 第三节辅助机构噪声 一、链条噪声
二、传动带噪声 三、机油泵噪声 四、燃油泵噪声 五、风扇噪声 六、空调压缩机噪声 参考文献 第六章车辆起步时车身振动 第一节过渡转矩变动 第二节驱动系统振动 一、缠绕振动 二、离合器抖动 参考文献 第七章车辆起步时车内噪声 第一节车内轰鸣噪声 第二节驱动系统异响 一、差速器异响 汽车NVH综合技术二、差速器异响的解决方法参考文献 第八章正常行驶时车体振动 第一节随机路面 一、汽车基本参数对乘坐舒适性的影响 二、车轴布置的区别、形态的背景和乘坐舒适性 三、轴距和载重量对乘坐舒适性的影响 第二节起伏不平路面 第三节路面接缝 第四节驱动系统弯曲振动 第五节轮胎不平衡 一、转向盘摆振 二、车身抖动 第六节传动轴夹角 参考文献 第九章正常行驶时车内噪声 第一节结构传播噪声 第二节空气传播噪声 第三节车内噪声 参考文献 第十章减速和制动时车体振动 第一节制动抖动 一、制动盘产生厚度不均的原因 二、制动抖动的测试 三、预防及解决制动抖动问题 第二节驱动系统引起的车体振动 参考文献 第十一章减速和制动时噪声
汽车振动噪声（ＮＶＨ）＠制——汽车工业面临的新问题 黄遵国，王 彦 （东风汽车有限公司商用车技术中心，湖北武汉４３００５６） 摘要：汽车ＮＶＨ（Ｎｏｉｓｅ，Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｈａｒｓｈｎｅｓｓ）特性是汽车五大重要性能之一，是汽车行业与相关汽车零部件行业关注的综合性问题。本文分析了车内振动、噪声的产生原因及传递路径，并给出了汽车主要的减振、降噪、密封零部件（如动力总成悬置、底盘村套、悬架系统、筒式减振器等）的结构形式，工作原理、发展趋势等，并展望了汽车ＮＶＨ控制技术的发展前景。 关键词：汽车ＮＶＨ；汽车ＮＶＨ零部件；汽车密封件中图分类号：ＴＱ １５３ 文献标志码：Ａ ＩｍｐｒｏｖｉｎｇＶｅｈｉｃｌｅＮＶＨＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ－－ＡＮｅｗＰｒｏｂｌｅｍＥｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄｂｙＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＩｎｄｕｓｔｒｙ ＨＵＡＮＧ Ｚｕｎｇｕｏ，ＷＡＮＧＹａｎ （ＣｏｍｍｅｒｃｉａｌＶｅｈｉｃｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ，Ｄｏｎｇｆｅｎｇ ＭｏｔｏｒＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ４３００５６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＮＶＨ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆｔｈｅｆｉｖｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅｗｈｉｃｈｈａｓｂｅｅｎｇｏｔ ｍｕｃｈａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｂｙａｕｔｏ‘ ｍｏｂｉｌｅｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐａｔｈｏｆｖｅｈｉｃｌｅＮＶＨｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅｐａｐｅｒ．Ａｌｓｏｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｏｐｅｒ— ａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｏｍｅｓｕｂｓｙｓｔｅｍｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅＮＶＨｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｉｎｍｏｕｎｔ， ｃｈａｓｓｉｓｂｕｓｈ，ａｎｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｅｔｃ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｏｆｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇＮＶＨｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｃｏｍｍｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＶｅｈｉｃｌｅＮＶＨ，ＮＶＨｓｕｂｓｙｓｔｅｍ。Ｓｅａｌｉｎｇｕｎｉｔ 汽车ＮＶＨ是指在汽车驾乘过程中，驾乘人员感受到的噪声（Ｎｏｉｓｅ）、振动（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）和声振粗糙度（Ｈａｒｓｈｎｅｓｓ）。由于以上三者是同时出现且密不可分的，因此常把它们放在一起进行研究，其中噪声的频率范围为３０Ｈｚ一－４０ｋＨｚ，主要指驾乘人员听到的车内噪声。振动的频率范围为１～２００ Ｈｚ， 主要是驾乘人员感受到的来自于转向盘、地板和座椅的振动。声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感受的指标，不能直接用客观测量方法来度量。由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此又称Ｈａｒｓｈ－ｎｅｓｓ为不平顺性，又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也称Ｈａｒｓｈｎｅｓｓ为冲击特性。 车内振动主要来自于２个方面，其一是由动力总成振动向车内的传递；其二是由路面激励通过轮胎向车内的传递。 车内噪声通常也来自２个方面，其一是由动力总成及附件噪声、轮胎噪声、风噪声等空气噪声向车内的传递；其二是由底盘、车身等结构件振动传递到车厢而引起的结构噪声。如图１所示，由车内振动和噪声的传递路径可知，振动问题和噪声问题往往是耦合在一起的。 由于振动和噪声源往往无法改变或很难在短时间内进行优化改进，因此在一款新车型的开发过程中，工程人员往往通过设计优化ＮＶＨ零部件来控 发动机激动｝ｒ．１动力总成振动卜————叫悬Ｊ霞系统 五亟卜——趣圃Ｉ 孰挫 ｋ——＿叫主塑些！ｌ Ｉ！堕堡垫ｌ 圈１车辆振动噪声传递路径 制振动和噪声的传递路径，从而实现对整车ＮＶＨ目标的控制。 ＮＶＨ零部件通常分为减振产品和降噪产品两大类。减振产品主要包括橡胶减振产品、弹簧阻尼减振产品，其中，橡胶减振产品在车内的分布最为广泛，用于动力总成、车身、底盘等各类结构件之间的弹性连接和缓冲。弹簧阻尼减振器主要包括各类悬架弹簧及液压筒式减振器，轮胎和车身的弹性连接起到阻尼的作用。 降噪产品主要包括隔音吸音产品（通常简称为隔音产品）和密封产品，隔音产品涵盖范围很广，主要分布于发动机舱、乘员厢、行李厢和底盘，其中顶棚、主地毯等在内的大部分内饰件同时也是车内噪声控制的重要零部件。因此，在ＮＶＨ领域往往被作为隔音产品进行考虑。密封产品主要是指各类门、窗密封条，其目的是通过密封来隔绝空气噪声的 传递。如图２所示。 《新技术新工艺》?数字技术与机械加工工艺装备 ２０１１年 第７期 ?７３? ；墓Ｉｋ 塑丽
NVH性能是什么 NVH是指Noise(噪声),Vibration(振动)和Harshness(声振粗糙度),由于以上三者在汽车等机械振动中是同时出现且密不可分,因此常把它们放在一起进行研究。声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来度量。由于声振粗糙描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此有人称Harshness为不平顺性。又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也有人称Harshness为冲击特性。文献[12]认为当汽车通过接缝或凸包时将产生瞬态振动（Harshness），它包括冲击和缓冲两种感觉。系统刚度越大，车身瞬态振动的幅值越大，冲击越严重，同时固有频率增加使振动衰减变快，缓冲的效果变好。同时它还给出了利用多元回归模型得到的冲击和缓冲方面感觉等级的经验公式。总的说来，声振粗糙度描述是振动和噪声共同产生的使人感到极度疲劳的感觉。简单地讲，乘员在汽车中的一切触觉和听觉感受都属于汽车NVH特性研究的范畴，此外，还包括汽车零部件由于振动引起的强度和寿命等问题。从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源（发动机、变速器等）、振动传递器（由悬挂系统和边接件组成）和噪声发射器（车身）组成的系统。汽车传动系统NVH特性研究是以汽车传动系统作为研究对象的，是属于于汽车整车NVH特性研究的子系统。目前的研究来看，汽车传动系统NVH特性研究主要是研究由发动机作为一个激励源产生的或汽车处于某种工况下的传动系统NVH特性。国外对动力传动系振动特性的研究起步较早，国外先进的汽车厂家从80年代以来已经将汽车结构的动态特性纳入产品开发的常规内容。尤其是20世纪90年代以来，丰田（Toyota）、通用（GM）、福特(Ford)、克莱斯勒（Chrysler）等大汽车公司的工程研究中心专门设立了NVH 分部，集中处理汽车的噪声（Noise）、振动（Vibration）和来自路面接触冲击的噪声声振粗糙度（Harshness）。 1.汽车的NVH特性 NVH是指Noise〔噪声)、Vibration(振动)和Harshness〔声振租糙度)，由于它们在车辆等机械中是同时出现且密不可分的，因此常把它们放在一起进行研究。声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉的，不能直接用客观测量方法来度量。由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此有人称Harshness为不平顺性。又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也有人称Harshness为冲击特性。 简单地讲，乘员在汽车中的一切触觉和听觉感受都属于NVH研究的范畴，此外，还包括汽车零部件由于振动引起的强度和寿命等问题。从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源(发动机、变速器等)、振动传递器(由悬挂系统和边接件组成)和噪声发射器〔车身)组成的系统。汽车NVH特性的研究应该是以整车作为研究对象的，但由于汽车系统极为复杂，因此经常将它分解成多个子系统进行研究，如底盘子系统(主要包括前、后悬架系统)、车身子系统等，也可以研究某一个激励源产生的或某一种工况下的NVH特性。 根据1996年对欧洲汽车市场的调查，由于汽车的性能、质量等方面均已达到较高的水平，因此顾客对乘坐舒适性的要求明显提高，仅次于汽车款式。对于中小
Automotive NVH Testing Technology 曾宪棣, 2012年5月20日
Automotive NVH Outline Testing Technology 曾宪棣 2012年5月20日 1. Fundamentals of Auto. NVH Testing 2. Automotive Noise Testing 3. Automotive Vibration Testing 4. A Few Typical Cases 5. Summary
Automotive NVH Testing Technology 曾宪棣 2012年5月20日 1. Fundamentals of Automotive NVH Testing 1.1 Automotive NVH 1.2 Automotive NVH testing facility 1.3 NVH transducers 1.4 Typical NVH measurement system 1.5 Time domain and frequency domain 1.6 Basics of digital signal processing
Testing Technology 1.1 Automotive NVH 曾宪棣 2012年5月20日 NVH =Noise, Vibration, and Harshness Automotive NVH: Road/Tire, powertrain, wind Power components: pumps, motors Squeak/rattle/buzz Door closing sound of closures NVH Related Performance Data Absorption, STL, DPDS,P/F (sometimes, P/V, and V/F), A/F, A/T, normal modes