新能源汽车整车中频NVH仿真难点及对策

前言

NVH仿真，包括车身NVH仿真、整车NVH仿真、声学包仿真等，在各大主机厂车型开发中已经被比较广泛应用。传统发动机作为动力源时，车内噪声主要包括路面和发动机分别通过底盘和发动机悬置传递到车内的低频噪声（20-350Hz），以及发动机辐射噪声、进排气管口噪声、轮胎噪声通过车身面板和内饰结构传递到车内的高频噪声（1K-8KHz）。这两部分在工程中分别采用有限元法（FEA）和统计能量法（SEA）进行仿真分析。对于中频部分（350Hz-1KHz）车内噪声，由于并不明显，大多数单位并没有做特殊关注。

图1 有限元法（FEA）模型和统计能量法（SEA）模型

新能源汽车，尤其是纯电动汽车，由于没有了低频发动机噪声的掩蔽效应、以及本身电驱动总成存在的啸叫，中频部分的NVH问题会凸显出来。 目前对于中频部分（350Hz-1KHz）车内噪声的分析也成为一个关注点。 相比于低频主要为结构声路径、高频主要为空气声路径，中频噪声同时包括了结构声和空气声两部分。 对于这部分的问题采用有限元法（FEA）或统计能量法（SEA）都将不再适用。 首先，有限元法（FEA）随着分析频率提高要求网格细化，同时也会增大误差。 有限元法在计算整车NVH问题时计算成本也会随着分析频率提高大幅提高。 统计能量法（SEA）是基于弱耦合假设建立的，但在中频范围车身板件有些还是以强耦合方式连接。 因此强行采用传统统计能量法（SEA）进行中频分析将会增大仿真的误差。

图2 整车中频NVH应用分类

Simcenter SEA+结合中频NVH仿真的需求，采用针对性的技术将有限元数据和统计能量方法有机结合，帮助解决整车中频NVH仿真中空气声和结构声精细化建模仿真的难题。其中主要包括下面几个方面：

• 中频子系统自动划分

• 结构子系统及连接参数准确确定

• 基于非共振能量理论的隔声量计算

中频子系统自动划分

为了保证统计能量法在中频范围分析的准确性，需要确保在中频段的子系统划分的精度。因为关注频率越低，划分出的子系统个数需越少，这样可以保证统计能量法对每个子系统模态密度的最基本要求。最理想方式就是软件可以实现自动的子系统划分，在不同频段内子系统划分方案可以自适应。

Simcenter SEA+提供了虚拟SEA（VSEA）技术，根据需要输入白车身的有限元模态结果，软件会基于模态结构计算传函，基于引力算法自动完成子系统的划分工作。避免建模过程中引入主观的不确定性。

图3 VSEA技术流程 

其中的多尺度虚拟SEA（MS-VSEA）技术可以根据在不同频率段内模态分布的不同，将划分好的子系统在不同频率段内自动组合，获得用于中频NVH分析的SEA模型。

图4 MS-VSEA自适应子系统分割

结构子系统及连接参数准确确定

在做中频结构声分析时，很重要的部分是如何建立和分析结构的传递特性。采用传统统计能量方法，子系统之间尤其是结构子系统之间的连接关系往往是基于理论公式的，但在实际车身连接中包括了复杂的点焊、缝焊、密封胶等方式。这些连接会对结构振动传递有很大影响，因此需要在建模时对于这些连接进行准确的模拟。相关连接方式在有限元模型中已经有精细的建模，我们借助于Simcenter SEA+中的VSEA/MS-VSEA可以实现将有限元模型中的信息压缩到SEA子系统及其连接关系中，用于中频结构声的精确分析。

图5 虚拟SEA及参数辨识流程

在对车身进行结构建模时，对于A柱、B柱等结构，如果采用传统方法进行子系统等效，会遇到动态变形（DynamicalMorphing），即在低频段这些结构主要体现出梁的特性、在高频段这些结构体现出平板的特性。这样会存在一个过渡频段，对应该结构的模态密度以及传递导纳出现跳跃。一般这些结构的过渡频段在1000Hz以内。采用Simcenter SEA+中的VSEA/MS-VSEA技术，可以将对应的参数特性通过有限元数据自动识别出来，避免了对于同一个结构需要在不同频率段等效成不同类型子系统和在过渡频段时参数无法获取带来的的麻烦。

图6 结构动态变形特征

基于非共振能量理论的隔声量计算

对于整车空气声路径问题的分析，本质上是研究各个钣金件及加装内饰后的隔声效果。在研究隔声问题时，传统统计能量分析工具仅考虑给各频段内的模态进行能量传递，忽略了低于或者高于该频率段的模态的能量传递，在计算隔声量时引入质量定律进行修正。因此往往计算出的隔声量曲线是斜率保持不变的一条曲线，和实际测试结果在中低频相差较大。

图7 非共振能量传递理论

Simcenter SEA+中引入非共振能量的方法进行隔声量建模，在分析对应带宽（B）下响应时除了该频段内的模态参与计算，低于该频段的模态和高于该频段的模态也参与计算。为了区别共振能量和非共振能量，通过颜色分别命名为黑色能量（低于该频段模态存储的非共振能量、质量控制）、红色能量（高于该频段模态存储的非共振能量、刚度控制）和白色能量（传统统计能量法可以考虑，模态储存的共振能量、阻尼控制）。该理论方法保证的各子系统间能量传递的完整性。相比传统统计能量法的质量定律修正，非共振能量法可以更好的保证中低频隔声计算的精度。

工程应用案例

相比于其他中频技术，SEA+更加工程实用化，建模和计算可以轻松实现。因此，在国内外主机厂实际车型分析中有成功应用，帮助进行了中频舱内噪声精确对标、阻尼板布置、内饰优化布置等分析。

下图为某实际车型纵梁悬置点到车内噪声中频传函的试验仿真对标结果（100Hz-800Hz）。

图8 某车型中频振动噪声传函（NTF）对标

小结

Simcenter SEA+中集成的虚拟SEA（VSEA/MS-VSEA）以及非共振能量传递技术可以帮助工程师解决中频NVH仿真分析中的频子系统自动划分、结构子系统及连接参数准确确定、基于非共振能量理论的隔声量计算的难题，快速准确的建立用于整车中频NVH空气声和结构声仿真的模型。

图9 整车中高频振动噪声建模流程

 

展望

对Simcenter SEA+所建立的中频模型进行高频扩展，即可得到一个可以计算中高频结构声和空气声的模型；结合Simcenter 3D中声学有限元/边界元功能可以在产品开发前期进行用于声学包分析的声载荷计算；Simcenter SEA+中特有的声源加载方式可以帮助用户对空气声源传递到内场的噪声贡献度排序。

对于Simcenter 3D中的这些应用后续还将会有专题介绍。