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(lián)網(wǎng)

一、經(jīng)典方法

四分之一汽車模型和二分之一汽車模型。在設(shè)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(shè)計階段,在知道了汽車基本參數(shù)之后,就可以迅速計算出整車的振動特征。應(yīng)用軟件有MATLAB等。

MATLAB是美國MathWorks公司開發(fā)的大型數(shù)學計算應(yīng)用軟件系統(tǒng),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(nèi)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(jīng)成為國際市場上科學研究和工程應(yīng)用方面的主導軟件。

二、有限元方法

經(jīng)典方法只適合于分析很低頻率的整體模態(tài)。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(jié)構(gòu)設(shè)計,上面的方法就無能為力了。汽車是一個彈性結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(tǒng)振動特征時,可以建立網(wǎng)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(wǎng)格非常細的模型。通常這種模型中節(jié)點間的距離僅為5mm,一部整車的有限元模型的節(jié)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(yù)估整車和各個系統(tǒng)的模態(tài)和模態(tài)頻率,并且能動態(tài)演示整車模態(tài)。

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

有限元法需將結(jié)構(gòu)有限單元離散化。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)劃分的單元的振動頻率必須高于要計算的整體結(jié)構(gòu)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(yīng)用有:汽車零部件有限元分析、懸架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計等。應(yīng)用軟件有ANSYS等。

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、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(fā)。

它能與多數(shù)CAD軟件接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I-DEAS,AutoCAD等,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)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(wǎng)格劃分工具,用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;

分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)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(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;

后處理模塊可將計算結(jié)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(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來,也可將計算結(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(tài)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(jié)構(gòu)聲輻射、聲散射和結(jié)構(gòu)聲腔問題有獨特的優(yōu)越性,因而在實際中得到應(yīng)用。

邊界元方法首先需要知道系統(tǒng)邊界條件。結(jié)構(gòu)邊界條件一般是如下三種之一:

已知結(jié)構(gòu)表面的復(fù)聲壓(Dirichlet邊界);
已知機構(gòu)表面的復(fù)振動速度(Neuman邊界);
已知結(jié)構(gòu)表面的復(fù)阻抗(混合或Robin邊界)。

邊界元方法需要結(jié)構(gòu)表面的復(fù)聲壓或復(fù)振動速度兩個物理量之一作為輸入,然后根據(jù)邊界條件計算出結(jié)構(gòu)表面另一物理量。作為輸入,結(jié)構(gòu)表面的復(fù)聲壓或復(fù)振動速度可以實測得到,也可以通過計算得到。對于結(jié)構(gòu)表面復(fù)振動速度的計算,邊界元方法常常借用有限元方法。整車結(jié)構(gòu)振動分析使用有限元模型,車內(nèi)空腔的聲場分析使用邊界元模型。應(yīng)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(lǐng)域中占據(jù)國際領(lǐng)先地位,它為噪聲控制專業(yè)工程技術(shù)人員提供了在產(chǎn)品設(shè)計開始階段,預(yù)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(nèi)著名大學、研究所和一些著名的大公司,如哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、西北工業(yè)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(yè)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(jié)構(gòu)振動時會產(chǎn)生聲輻射。結(jié)構(gòu)振動可以是實際測得的速度響應(yīng)數(shù)據(jù),或者是由有限元或其他方法計算得到的速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。Virtual.Lab本身具有振動響應(yīng)的有限元方法計算功能,也可以從測得的模態(tài)數(shù)據(jù)和給定的激勵計算速度響應(yīng)。Virtual.Lab進一步可以利用這些數(shù)據(jù)計算結(jié)構(gòu)表面的聲壓和結(jié)構(gòu)周圍的聲場分析。

(2) 聲散射計算

(3) 空氣噪聲傳遞計算:結(jié)構(gòu)-聲場耦合系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度分析

Virtual.Lab的主要應(yīng)用方向:

Virtual.Lab預(yù)測聲波的輻射、散射和傳遞,以及聲學載荷引起的聲學響應(yīng)?？捎嬎愕玫降慕Y(jié)果包括:聲壓,輻射功率,質(zhì)點速度,聲強,板塊貢獻量,能量密度,聲-振靈敏度,純模態(tài),結(jié)構(gòu)撓度,等等。

為了描述聲學媒質(zhì),Virtual.Lab利用了最先進的數(shù)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(jié)構(gòu)本身用結(jié)構(gòu)有限元模型表達,可以從所有主流結(jié)構(gòu)有限元和網(wǎng)格生成工具導入。所有分析模塊都完全集成在核心環(huán)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(wǎng)格檢查和修正工具。后處理可以畫彩圖,矢量場,變形后的結(jié)構(gòu),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(tǒng)動力學方法

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

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

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

ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫,創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型,其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格郎日方程方法,建立系統(tǒng)動力學方程,對虛擬機械系統(tǒng)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(yīng)用軟件,用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)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(fā)工具,其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口,可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。

五、統(tǒng)計能量分析法

統(tǒng)計能量分析是個模型化分析方法,它運用能量流關(guān)系式對復(fù)合的、諧振的組裝結(jié)構(gòu)進行動力特性、振動響應(yīng)級及聲輻射的理論評估,是一種在時間上和空間上的統(tǒng)計特性,這些能量流關(guān)系式在組成組裝結(jié)構(gòu)的各種耦合的子系統(tǒng)(如板、殼等)之間具有一個簡單的熱類比。在應(yīng)用統(tǒng)計能量分析理論時,將車輛劃分為若干個子系統(tǒng),并假定各子系統(tǒng)之間的主要能量流是由于結(jié)構(gòu)共振或聲學模態(tài)引起的,即統(tǒng)計能量分析通常是關(guān)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(guī)律可以用水箱模型描述。

統(tǒng)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(yù)測不同設(shè)計對車內(nèi)噪聲的相對影響。目前,統(tǒng)計能量分析在預(yù)測和分析車內(nèi)空氣噪聲的應(yīng)用比較普遍,而預(yù)測和分析車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲卻是研究的多,應(yīng)用的少。其中一個重要局限是在汽車研發(fā)初期無法預(yù)測結(jié)構(gòu)耦合損耗因子。建立大量的類似結(jié)構(gòu)的耦合損耗因子數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫,可能仍然很難滿足車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲分析的所有需求。另一方面,傳遞路徑分析方法發(fā)展很快,逐漸成為分析車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的主要方法。應(yīng)用軟件有AutoSEA等。

AutoSEA軟件是ESI公司開發(fā)的基于統(tǒng)計能量分析(SEA)方法、針對中高頻噪聲振動分析的結(jié)構(gòu)-聲學分析仿真軟件。ESI公司一直致力于統(tǒng)計能量分析方法的研究和軟件開發(fā),具有強大的技術(shù)力量。目前,最新版的AutoSEA2軟件全球市場占有率高達95%,應(yīng)用范圍包括:飛機、汽車、船舶內(nèi)噪聲的預(yù)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(diào)聲環(huán)境預(yù)測及電子產(chǎn)品等等,使用的公司涉及各行各業(yè),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(diào)(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(jīng)過嚴格的開發(fā)和客戶廣泛的使用,證明具有非常高的可靠性和準確性;優(yōu)秀的和服務(wù):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(yīng)用:進行各種車輛建模,實現(xiàn)內(nèi)部聲質(zhì)量、整車結(jié)構(gòu)噪聲、內(nèi)飾材料重量/花費的最優(yōu)化設(shè)計。

六、傳遞路徑分析方法

復(fù)雜系統(tǒng)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(jīng)過衰減,傳遞到多個響應(yīng)點。為了降低振動噪聲,對各種傳遞路徑進行預(yù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(guī)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(jù)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(fā)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(tǒng)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(shù),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(shù)值計算來得到傳遞函數(shù)建立模型的方法。但更多的是混合應(yīng)用實驗和數(shù)值計算建立模型。

應(yīng)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(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示的許多有效的工具,成為試驗和設(shè)計工程師的好幫手。比利時LMS國際公司,總部設(shè)在比利時魯文,專門為機械產(chǎn)品開發(fā)的功能品質(zhì)工程提供解決方案。公司開發(fā)的軟件,生產(chǎn)的硬件及其它相關(guān)產(chǎn)品可以幫助工程人員根據(jù)運動學與動力學、平順性、操縱的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的整合、振動、聲學、NVH和疲勞歷程等特征對設(shè)計進行改進,這樣用戶就可以了解并解決出現(xiàn)的問題。

與此同時LMS先進的屬性優(yōu)化技術(shù)也就轉(zhuǎn)化成為LMS在市場上的戰(zhàn)略性競爭優(yōu)勢。LMS提供的解決方案是以數(shù)字開發(fā)為基礎(chǔ),以過程開發(fā)為中心,最終提高生產(chǎn)廠家的勞動生產(chǎn)率。LMS公司的工程服務(wù)部門可以為整車的開發(fā)提供很多技術(shù)性支持,從項目承包到問題診斷,技術(shù)轉(zhuǎn)讓,合作開發(fā)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(shù)中心”,以加強對中國汽車CAE人才培養(yǎng)及。近幾年LMS中國業(yè)務(wù)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(shù)中心、一汽大眾、東風、長安等整車及零部件制造商。

七、模態(tài)綜合方法

世紀60年代從航天工程中發(fā)展起來的解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)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(yīng)用于非線性振動和隨機振動響應(yīng)分析。模態(tài)綜合是將一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解成若干個較為簡單的子結(jié)構(gòu)。在弄清各子結(jié)構(gòu)振動特性的基礎(chǔ)上,根據(jù)對接面上的協(xié)調(diào)條件將這些子結(jié)構(gòu)合成一總體結(jié)構(gòu),然后利用各子結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)得出總體結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)。

用此法進行系統(tǒng)固有特性的求解和動力響應(yīng)分析,只需計算子結(jié)構(gòu)的少數(shù)幾個主模態(tài)(主振型),因此能有效地縮減自由度而不改變系統(tǒng)的物理本質(zhì)。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(tài)綜合方法可以減少整車結(jié)構(gòu)分析時工作量巨大的難度。首先將車輛結(jié)構(gòu)分為若干個子結(jié)構(gòu)(或部件),然后對每個子結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析(計算的或試驗的),得到子結(jié)構(gòu)的動力特性,然后再根據(jù)子結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)結(jié)條件,利用子結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性和模態(tài)坐標建立起來的聯(lián)結(jié)方法,將已經(jīng)獲得的子結(jié)構(gòu)的模態(tài)動力特性進行綜合,從而得到整車結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性。

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

應(yīng)用軟件有ANSYS等。ANSYS的模態(tài)綜合法采用固定界面和自由界面模態(tài)綜合法,其中固定界面模態(tài)綜合法的基本思想是將各子結(jié)構(gòu)與其他子結(jié)構(gòu)相連接的界面自由度完全約束,求出此時子結(jié)構(gòu)的低階主模態(tài)集。然后通過釋放子結(jié)構(gòu)界面自由度,分別得到子結(jié)構(gòu)的剛體模態(tài)集和約束模態(tài)集,由低階主模態(tài)子結(jié)構(gòu)的剛體模態(tài)集和約束模態(tài)集組成子結(jié)構(gòu)的Ritz基。而自由界面模態(tài)綜合法的基本思想是把子結(jié)構(gòu)從整體系統(tǒng)中分割出來,將子結(jié)構(gòu)間界面自由度上的約束全部去掉,對界面自由度的字結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。然后利用相鄰子結(jié)構(gòu)界面位移協(xié)調(diào)條件和平衡條件將各子結(jié)構(gòu)綜合成一個整體。

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