5_Altair软件在商用车NVH性能提升中的应用
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Altair软件在商用车NVH性能提升中的应用Application of Altair Software in Commercial VehicleNVH Performance程志刚1沈磊1张汤赟2 郁强1（1南汽研究院2南京依维柯汽车有限公司南京210028）摘要: 以南京依维柯汽车有限公司某款商用车为研究对象，利用Altair公司前、后处理软件对其进行了声腔模态分析、关键点动刚度分析、传递函数分析、钣金件贡献率分析。
通过CAE分析找到原车型设计的不足，通过对关键钣金件料厚的优化，改变地板局部结构的方式增加了关键点局部刚度特性，降低了噪声传递函数的峰值，使之满足整车NVH设计的要求。
关键词：商用车动刚度噪声传递函数钣金贡献Abstract: We researched a commercial vehicle of Nanjing Iveco Automobile Co.Ltd, using the software of Altair. We performed acoustic modal analysis, key point dynamic stiffness analysis, transfer function analysis, and Panel Participation analysis. CAE analysis was utilized to find the weakness of the original vehicle design, optimize the panel’s thickness, and change the shape of floor. By means of these methods, the local stiffness was enhanced, the peak point of NTF was reduced, and finally the NVH design standard was met.Key words: Commercial Vehicle, Dynamic Stiffness, NTF, Panel Participation1 概述随着人们对商用车品质要求的日益提高，商用车NVH性能也逐渐引起用户和整车厂商的关注，所以提升商用车NVH整体性能成为不断提高商用车品质的重要途径。
影响整车NVH性能的因素主要有动力总成及其传动系统振动噪声、排气系统振动噪声、车身结构振动噪声、风激励噪声等。
其中怠速和加减速工况下车内噪声振动水平在一定程度上决定了用户对整车NVH性能的评价。
试验是目前解决和研究NVH的主要手段，被各大汽车厂商广泛应用，试验具有结果可信操作直观的优点，但是也具有其局限性，即整个NVH的测试和优化必须要样车出来后才能进行，否则一切都是空谈。
随着计算机技术的发展，CAE手段在提升整车NVH的性能中发挥着越来越重要的作用，比如用于整车NVH目标设定与分解，通过计算能够得到车声声腔的模态频率和振型，能够进行车身板件的贡献量分析，使车身结构的优化也成为可能。
通过CAE手段不仅在项目的前期开发阶段具有重要的作用，在后期的NVH问题整改中也起着举足轻重的作用。
相比试验手段CAE分析具有效率高、成本低等优势。
本文利用HyperWorks前后处理软件对南京维柯某款商用车进行了车身NVH分析，分析内容包括声腔模态、动刚度分析、传递函数分析、钣金贡献率分析。
通过分析找到结构设计的不足，并通过结构和料厚优化改善了局部的振动特性，优化了驾驶员右耳声音响应特性，为整车NVH性能的提升提供了方向。
2 有限元模型建立建模是有限元分析的基础，建模的效率直接影响项目的完成时间，建模的精度关乎仿真的精度以及和试验的匹配度，一款好的建模软件不仅能够保证仿真分析的精度，还能兼顾效率。
当前市场上建模软件众多，多达10余种，通过多年的使用，发现还是Altair公司的HyperMesh前处理软件既能兼顾质量又能保证效率。
2.1 结构有限元模型建立车身结构有限元模型的建立需要正确的模拟焊接、螺栓以及胶的连接方式。
在HyperMesh中，采用ACM格式的单元来模拟焊点，采用RBE2和Bar单元来模拟螺栓连接，采用adhesives单元来模拟胶连接（包括玻璃胶，侧围以及顶盖的结构胶等）。
具体的模拟方式见图1所示：a）焊点模拟 b）胶连接模拟 c）螺栓模拟图1 车身建模连接模拟方法为了提高分析的精度，尽量使有限元模型接近实际的状态，在建模的时候还必须包括前后车门，侧窗玻璃，内外饰（可以以质量代替）等系统。
车身以及门盖系统的有限元模型如下图2所示：图2 车身和门盖系统有限元模型对于一个复杂的模型，模型检查是必不可少的工作，在HyperMesh中可以很方便的查看材料、厚度、连接、属性等参数，检查完上面几项后，可以通过自由模态的计算来进一步确认模型的准确性。
车身以及门盖系统的自由模态计算结果如图3所示：a）第7阶模态振型 b）第8阶模态振型图3 车身及门盖系统自由模态计算结果模态计算结果前6阶为刚体模态，从第7阶开始为结构模态，表现为后门的振动，第8阶模态表现为侧围的振动。
且计算的结果没有出现飞件和结构联接不完善的地方，结构有限元模型建立正确，可以利用进行NVH分析。
2.2 声腔有限元模型建立HyperMesh11.0提供了专门的声腔建模工具Acoustic Cavity mesh，通过Acoustic Cavity mesh工具能够快速的建立声腔的模型，且能够考虑座椅的耦合情况，建模的质量能够保证足够的分析精度，通过HyperMesh11.0建立的声腔有限元模型如图4所示：图4 声腔有限元模型2.3 声固耦合模型建立通过HyperMesh11.0的Acoustic Cavity mesh工具建立的声腔模型表面节点是和结构有限元模型一一对应的，通过设置卡片ACMODL的参数来确定结构和流体的耦合状态。
声固耦合模型中包含白车身、前后车门、风窗玻璃以及车身声腔模型。
组建的声固耦合模型如图5所示：图5 声固耦合模型建立的声固耦合模型单元总数达到117万，计算频率范围由25-250Hz，如果采用常用的Lanczos 法提取模态频率和振型，将会花费大量的计算机资源，计算时间超过24小时。
HyperMesh11.0提供AMSES加速算法，同等条件下其计算时间大大缩短，计算精度完全能够满足NVH计算需要，且能有效的减少计算所需空间，在南维柯此款商用车NVH的计算中采用AMSES法提取模态频率和振型。
3 计算结果3.1声腔模态计算结果车身空腔系统的声学特征表现为固有频率和振型（声压的分布情况）相联系的声学振动模态。
空腔越长频率越低，一般对于轻客类的商用车而言，第一阶频率不为零的声学模态频率出现在40-80Hz左右，表现为声压沿车内空腔纵向分布的模态振型。
对于南维柯此款车型重点关注100Hz以下的声腔频率和振型，因为大部分可能导致NVH问题的频段都集中在这个范围。
赋予建立的声腔有限元模型空气参数（25°状态下），提取各阶的模态振型和频率，计算结果如图6所示：Frequency=36.38Hz Frequency=70.18HzFrequency=90.57Hz Frequency=93.78Hz图6 声腔模态计算结果3.2关键点动刚度分析结果车辆在怠速或行驶过程中由于车身面板的振动引起的室内空腔轰鸣声对乘坐舒适性有很大的影响，通过车身连接点传递至车身的振动是引起车身面板振动的主要原因。
连接点动刚度不足是造成室内噪声的重要影响因素，通过对关键点动刚度的分析能够找到动刚度不足的频率点以及引起连接点动刚度不足的原因。
由于此款商用车采用的是非承载式结构，车身和车架在驾驶室的位置采用4个弹垫连接，其它位置和车架采用刚性连接。
四个弹垫的位置对于传递车架的振动起着重要的作用，需要重点关注四个弹垫位置的动刚度，车身和车架弹性连接的位置如图7所示：图7 车身、车架弹性连接点位置分别在四个弹垫安装的位置施加单位力载荷，提取在0-250Hz频率范围内加载点的速度、加速度响应。
通过HyperMesh11.0前处理软件的Process manager能够方便快捷的建立整个频响分析工况，提交OptiStruct计算得到各个点的计算结果。
PT1点X、Y、Z三个方向的动刚度分析结果如图8所示：a) X方向b) Y方向c) Z方向图8 PT1点三个方向（X、Y、Z）的动刚度曲线图中蓝色实线为PT1点三个方向的加速度随频率的响应曲线，三根虚线分别为4000N/mm、8000N/mm、16000N/mm刚度曲线。
对于此款商用车来讲，需要连接点的动刚度大于4000N/mm 判定为合格，否则需要对原结构进行修改。
从动刚度曲线上可以看出在87.5Hz左右有一个峰值，说明在此频率附近车身有相应的模态与之对应，正是由于此模态的影响才导致在此频率附近的动刚度出现峰值。
通过对比车身模态分析结果可以看出在87.5Hz附近车身前地板存在多个模态振型，正是由于这些模态振型（如图9所示）的存在才导致曲线峰值的存在。
a）X方向动刚度和对应的车身模态振型b）Y、Z方向动刚度和对应的车身模态振型图9 PT1点（X、Y、Z）方向动刚度曲线和车身模态振型对应图3.3 噪声传递函数分析结果噪声传递函数（NTF）主要是指输入激励载荷与输出噪声之间的对应函数关系，用于评价结构对振动发声的灵敏度特性。
通常的NTF分析方法是在动力总成、底盘、排气系统等与车身接触点施加单位力激励，计算得到车内声压响应。
根据此款商用车车身结构的特点，在车身和车架软垫连接的4个点位置分别施加X、Y、Z三个方向的单位力载荷，以驾驶员右耳附近点作为响应点。
其中在PT1点施加单位载荷，驾驶员右耳声压响应曲线计算结果如图10所示：a）X向激励b）Y向激励图10 单位载荷激励下驾驶员右耳声压响应曲线从三个方向的声压响应曲线可以看出，在100Hz以下驾驶员耳旁噪声响应峰值出现在87Hz左右，驾驶员右耳声压约为52dB，这和动刚度的加速度响应曲线几乎在一个频率段，说明有可能是车身连接点的动刚度不足造成的。
3.4钣金贡献率分析结果基于HyperMesh11.0的钣金贡献分析是直接对结构与声腔的耦合模型进行分析，可以直接选取真实的钣金进行分块。
该商用车车身结构是由大面积的覆盖钣金件和玻璃组成，每一部分钣金都可能对驾驶员右耳旁噪声有贡献，根据实际经验选取前门内板、前门玻璃、前挡风玻璃、侧窗玻璃、侧围内板、后门内板、后门玻璃等作为分析对象，所选取的钣金件如图11所示：图11 车身钣金件分块示意图一般在车身开发的前期阶段，很难获取车身4个软垫附近的真实载荷激励，钣金贡献率分析通常也以单位力载荷来代替。
