七種汽車振動噪聲有限元軟件分析方法概述

2017-03-15 by:CAE仿真在線來源:互聯網

一、經典方法

四分之一汽車模型和二分之一汽車模型。在設計初期或者在做模型研究的時候,往往采取這種形式。這種模型一般用來分析汽車最基本的頻率和振型特征,也可以用作其他用途,如研究汽車動力特性。概念設計階段,在知道了汽車基本參數之后,就可以迅速計算出整車的振動特征。應用軟件有MATLAB等。

MATLAB是美國MathWorks公司開發的大型數學計算應用軟件系統,它提供了強大的矩陣處理和繪圖功能,簡單易用,可信度高,靈活性好,在世界范圍內被科學工作者、工程師以及大學生和研究生廣泛使用,目前已經成為國際市場上科學研究和工程應用方面的主導軟件。

二、有限元方法

經典方法只適合于分析很低頻率的整體模態。如果要考慮整車中各個系和部件的局部振動,以及修改汽車結構設計,上面的方法就無能為力了。汽車是一個彈性結構,整體和局部振動特征都很重要。于是在分析整車低頻振動問題和建立模型時,必須考慮到其結構特征和彈性特征。

目前,用得最為廣泛的方法是有限元分析。在粗略分析整車各個系統振動特征時,可以建立網格相對粗的模型。當要對整車振動特征進行細致分析時,就必須建立網格非常細的模型。通常這種模型中節點間的距離僅為5mm,一部整車的有限元模型的節點和單元可以達到幾百萬個甚至上千萬。有限元方法是一項非常成熟的分析方法,能夠準確的預估整車和各個系統的模態和模態頻率,并且能動態演示整車模態。

有限元方法是用有限單元將結構彈性域或空氣域離散化,根據力學方程或聲波動方程,得到聯立代數方程式,通過求解代數方程式得到結構彈性或聲傳播空氣域中的振動和聲特性。

有限元法需將結構有限單元離散化。結構劃分的單元愈多,自由度也就愈多,計算精度也愈高,但計算時間也愈長。結構劃分的單元的振動頻率必須高于要計算的整體結構的振動頻率,否則單元需進一步劃分。單元的劃分需與計算精度匹配。有限元分析方法在汽車方面的應用有:汽車零部件有限元分析、懸架結構有限元分析、車架有限元分析、車身有限元分析、輪胎有限元分析、汽車碰撞有限元分析和汽車結構有限元優化設計等。應用軟件有ANSYS等。

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發。

它能與多數CAD軟件接口,實現數據的共享和交換,如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I-DEAS,AutoCAD等,是現代產品設計中的高級CAD工具之一。

軟件主要包括三個部分:前處理模塊,分析計算模塊和后處理模塊。

前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具,用戶可以方便地構造有限元模型;

分析計算模塊包括結構分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析,可模擬多種物理介質的相互作用,具有靈敏度分析及優化分析能力;

后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結構內部)等圖形方式顯示出來,也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

軟件提供了100種以上的單元類型,用來模擬工程中的各種結構和材料。該軟件有多種不同版本,可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上,如PC,SGI,HP,SUN,DEC,IBM,CRAY等。

三、邊界元方法

有限元方法非常適合低頻結構振動模擬和分析。有限元方法也可以模擬和分析振動和聲的耦合,但對聲空間的模擬和分析基本沿用對結構振動的處理方法,常常限于封閉空間。當聲空間體積增大,模態密度急劇增大,有限元方法的運算量急劇增大,此時有限元方法有局限性。相比之下,邊界元方法對處理結構聲輻射、聲散射和結構聲腔問題有獨特的優越性,因而在實際中得到應用。

邊界元方法首先需要知道系統邊界條件。結構邊界條件一般是如下三種之一:

已知結構表面的復聲壓(Dirichlet邊界);
已知機構表面的復振動速度(Neuman邊界);
已知結構表面的復阻抗(混合或Robin邊界)。

邊界元方法需要結構表面的復聲壓或復振動速度兩個物理量之一作為輸入,然后根據邊界條件計算出結構表面另一物理量。作為輸入,結構表面的復聲壓或復振動速度可以實測得到,也可以通過計算得到。對于結構表面復振動速度的計算,邊界元方法常常借用有限元方法。整車結構振動分析使用有限元模型,車內空腔的聲場分析使用邊界元模型。應用軟件有Virtual.Lab等。

Virtual.Lab軟件是比利時一家國際著名的振動和聲學測試分析軟件公司-LMS公司的大型聲學計算分析商品軟件。該軟件在聲學計算分析領域中占據國際領先地位,它為噪聲控制專業工程技術人員提供了在產品設計開始階段,預報和解決聲學問題,受到一致好評。美國的NASA(國家航空航天中心)、FORD汽車公司、MOTOROLA通訊公司和BOSE音箱公司,國內著名大學、研究所和一些著名的大公司,如哈爾濱工業大學、上海交通大學、西北工業大學、中船總公司第701研究所、第719研究所、上海大眾汽車工業公司等都購買了該軟件。

其主要功能有:

(1) 聲輻射計算

聲輻射計算是Virtual.Lab軟件最基本的功能。結構振動時會產生聲輻射。結構振動可以是實際測得的速度響應數據,或者是由有限元或其他方法計算得到的速度響應數據。Virtual.Lab本身具有振動響應的有限元方法計算功能,也可以從測得的模態數據和給定的激勵計算速度響應。Virtual.Lab進一步可以利用這些數據計算結構表面的聲壓和結構周圍的聲場分析。

(2) 聲散射計算

(3) 空氣噪聲傳遞計算:結構-聲場耦合系統的響應靈敏度分析

Virtual.Lab的主要應用方向:

Virtual.Lab預測聲波的輻射、散射和傳遞,以及聲學載荷引起的聲學響應?？捎嬎愕玫降慕Y果包括:聲壓,輻射功率,質點速度,聲強,板塊貢獻量,能量密度,聲-振靈敏度,純模態,結構撓度,等等。

為了描述聲學媒質,Virtual.Lab利用了最先進的數字方法。它們基于直接和間接邊界元方法,或者聲學有限元/無限元的聲學方程。結構本身用結構有限元模型表達,可以從所有主流結構有限元和網格生成工具導入。所有分析模塊都完全集成在核心環境中,支持多模型和三維圖形。

SYSNOSIS有強大的集成前、后處理功能,有網格檢查和修正工具。后處理可以畫彩圖,矢量場,變形后的結構,以及XY圖線,柱狀圖和極坐標圖,還包括動畫顯示和聲音回放。

四、多體系統動力學方法

多體系統是對某類客觀事物的高度抽象和概括,這類系統都具有一個共同的特點,即它們都是通過特定的關節(鉸鏈)將諸多零(部)件-即所謂的“體”聯接起來的;因此我們把多體系統定義為以一定的聯接方式互相關聯起來的多個物體構成的系統,這些物體可以是剛體也可以是柔體。如果多體系統中所有的體均為剛體,則稱該系統為多剛體系統;如果多體系統含有一個以上的柔體,則稱為柔性多體系統。

多體系統動力學是一般力學學科的一個重要分支,其理論基礎為剛體動力學、分析力學、有限元理論、連續介質力學、計算力學、控制理論等。在汽車的應用為:汽車碰撞過程中人體動力學響應仿真計算,懸架系統多體系統動力學等。

應用軟件的代表為ADAMS。ADAMS,即機械系統動力學自動分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems),該軟件是美國MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)開發的虛擬樣機分析軟件。

ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫,創建完全參數化的機械系統幾何模型,其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日方程方法,建立系統動力學方程,對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析,可以輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件,用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析;另一方面,又是虛擬樣機分析開發工具,其開放性的程序結構和多種接口,可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺。

五、統計能量分析法

統計能量分析是個模型化分析方法,它運用能量流關系式對復合的、諧振的組裝結構進行動力特性、振動響應級及聲輻射的理論評估,是一種在時間上和空間上的統計特性,這些能量流關系式在組成組裝結構的各種耦合的子系統(如板、殼等)之間具有一個簡單的熱類比。在應用統計能量分析理論時,將車輛劃分為若干個子系統,并假定各子系統之間的主要能量流是由于結構共振或聲學模態引起的,即統計能量分析通常是關于各個共振振蕩器組之間的能量或功率流分析。振動功率損失和功率流動規律可以用水箱模型描述。

統計能量分析作為一種分析方法,其更重要的作用在于列出主要噪聲貢獻,以及預測不同設計對車內噪聲的相對影響。目前,統計能量分析在預測和分析車內空氣噪聲的應用比較普遍,而預測和分析車內結構噪聲卻是研究的多,應用的少。其中一個重要局限是在汽車研發初期無法預測結構耦合損耗因子。建立大量的類似結構的耦合損耗因子數據庫可以在一定程度上緩和這個局限性,但其工作量大,而且即使有了數據庫,可能仍然很難滿足車內結構噪聲分析的所有需求。另一方面,傳遞路徑分析方法發展很快,逐漸成為分析車內結構噪聲的主要方法。應用軟件有AutoSEA等。

AutoSEA軟件是ESI公司開發的基于統計能量分析(SEA)方法、針對中高頻噪聲振動分析的結構-聲學分析仿真軟件。ESI公司一直致力于統計能量分析方法的研究和軟件開發,具有強大的技術力量。目前,最新版的AutoSEA2軟件全球市場占有率高達95%,應用范圍包括:飛機、汽車、船舶內噪聲的預估、主要聲源及噪聲控制措施,船舶及潛艇的外噪聲輻射,建筑、空調聲環境預測及電子產品等等,使用的公司涉及各行各業,包括汽車(通用、福特、戴克、尼桑、豐田等)、航空航天(NASA、波音、空客、洛克希德-馬丁等)、船舶(USNavy、ElectricBoat等)、空調(Carrier、Daikin、Trane等)以及IT(IBM等)。

具有強大的振動噪聲分析功能:除了具備常用的振動和聲學特性計算功能外,還具有SHOCK、FOAM等功能模塊,以及各種吸聲降噪措施、蒙皮等邊界條件或噪聲控制措施的模擬功能;極高的軟件可靠性和準確性:AutoSEA2經過嚴格的開發和客戶廣泛的使用,證明具有非常高的可靠性和準確性;優秀的和服務:ESI公司提供強大的,AutoSEA2軟件最新版本為2.5,包含了模型智能檢測、水下殼輻射等新增功能。

汽車方面的應用:進行各種車輛建模,實現內部聲質量、整車結構噪聲、內飾材料重量/花費的最優化設計。

六、傳遞路徑分析方法

復雜系統受多種振動噪聲源的激勵,每種激勵都可能通過不同的路徑,經過衰減,傳遞到多個響應點。為了降低振動噪聲,對各種傳遞路徑進行預測和分析,并采用矢量疊加方法。這種分析方法就叫傳遞路徑分析方法,因為使用了矢量疊加方法又叫矢量疊加法。這種方法國內研究的還不多,但不難理解。傳遞路徑分析是用于分析振動聲學能量通過結構和聲學路徑從源到接受者的傳遞,目的是評價各路徑對總的振動噪聲量級的貢獻大小,使得工程師可以識別出解決規定問題需要修改的部件。

傳遞路徑分析中首先需要明確所需要分析的激勵點,這根據不同的問題而定。如,車身問題只需考慮地盤與車身耦合出的力激勵;整車問題就要考慮車軸處、發動機懸置減振器處、空氣壓縮機懸置減振器處,甚至活塞和氣缸缸壁之間的力激勵。明確所需分析系統的耦合點后,下一步就需要估計各種耦合激勵力和各種傳遞函數,工作量常常很大。

建立一個整車傳遞路徑分析模型有很多方法。有純粹基于實驗測試的方法,也有純粹基于數值計算來得到傳遞函數建立模型的方法。但更多的是混合應用實驗和數值計算建立模型。

應用軟件有LMS的TPA傳遞路徑分析軟件。LMS傳遞路徑分析軟件提供了用于數據處理和結果顯示的許多有效的工具,成為試驗和設計工程師的好幫手。比利時LMS國際公司,總部設在比利時魯文,專門為機械產品開發的功能品質工程提供解決方案。公司開發的軟件,生產的硬件及其它相關產品可以幫助工程人員根據運動學與動力學、平順性、操縱的穩定性、結構的整合、振動、聲學、NVH和疲勞歷程等特征對設計進行改進,這樣用戶就可以了解并解決出現的問題。

與此同時LMS先進的屬性優化技術也就轉化成為LMS在市場上的戰略性競爭優勢。LMS提供的解決方案是以數字開發為基礎,以過程開發為中心,最終提高生產廠家的勞動生產率。LMS公司的工程服務部門可以為整車的開發提供很多技術性支持,從項目承包到問題診斷,技術轉讓,合作開發等等。

LMS公司從1997年起已先后在北京、上海和廣州成立辦事處,并與同濟大學共建“同濟-LMS汽車振動噪聲耐久性技術中心”,以加強對中國汽車CAE人才培養及。近幾年LMS中國業務量保持年均增幅40%以上,客戶包括上海泛亞、上海大眾、一汽技術中心、一汽大眾、東風、長安等整車及零部件制造商。

七、模態綜合方法

世紀60年代從航天工程中發展起來的解決復雜結構系統振動問題的有效方法。美國W.C.赫梯等人提出此法,以后被推廣應用于非線性振動和隨機振動響應分析。模態綜合是將一個復雜結構分解成若干個較為簡單的子結構。在弄清各子結構振動特性的基礎上,根據對接面上的協調條件將這些子結構合成一總體結構,然后利用各子結構的振動形態得出總體結構的振動形態。

用此法進行系統固有特性的求解和動力響應分析,只需計算子結構的少數幾個主模態(主振型),因此能有效地縮減自由度而不改變系統的物理本質。固定界面法和自由界面法用得較為成功。此法已用于航空航天、動力、車輛、船舶和海洋工程的動力分析,效果顯著。

模態綜合方法可以減少整車結構分析時工作量巨大的難度。首先將車輛結構分為若干個子結構(或部件),然后對每個子結構進行模態分析(計算的或試驗的),得到子結構的動力特性,然后再根據子結構之間的聯結條件,利用子結構的模態特性和模態坐標建立起來的聯結方法,將已經獲得的子結構的模態動力特性進行綜合,從而得到整車結構的模態特性。

模態綜合方法對結構的動力修改也十分方便。修改往往是局部的,運用模態綜合方法,只需對修改過的子結構重新進行計算分析或動力試驗,然后將所有的子結構的模態特性進行綜合,最終獲得修改后的整體結構的動力特性。

應用軟件有ANSYS等。ANSYS的模態綜合法采用固定界面和自由界面模態綜合法,其中固定界面模態綜合法的基本思想是將各子結構與其他子結構相連接的界面自由度完全約束,求出此時子結構的低階主模態集。然后通過釋放子結構界面自由度,分別得到子結構的剛體模態集和約束模態集,由低階主模態子結構的剛體模態集和約束模態集組成子結構的Ritz基。而自由界面模態綜合法的基本思想是把子結構從整體系統中分割出來,將子結構間界面自由度上的約束全部去掉,對界面自由度的字結構進行模態分析。然后利用相鄰子結構界面位移協調條件和平衡條件將各子結構綜合成一個整體。

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