CN105279327A - 一种汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提出一种汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法。本发明包括如下步骤：A：计算发动机的曲柄机构的往复惯性力和往复惯性力矩；B：根据发动机燃烧压力计算出气体压力产生的力矩；C：将发动机载荷分阶次处理成频域载荷；D：建立整车NVH有限元仿真模型，并根据模态初步判定模型的正确性，将载荷加载在模型中的发动机质心处；E：计算车内振动和噪声的响应曲线，并与目标值进行比对；F：根据车内振动和噪声的响应曲线和目标值找出影响NVH性能的峰值点，进行贡献量分析；G：根据贡献量分析结果进行结构改进，降低噪声或振动峰值。本发明可以实现在制造费用未发生前预测及解决问题，节省了大量成本和缩短了开发周期。
Description
技术领域
本发明涉及计算机辅助工程（CAE）技术领域，具体涉及一种汽车车内振动与噪声的计算机仿真预测方法。
背景技术
由发动机激励引起的乘用车车内结构噪声和振动，是影响乘用车舒适性的最重要环节。降低这一类振动和噪声，一般采取试验调校的手段，即在样车装成后，测量车内的噪声和振动，如果超过目标要求，则对隔振系统以及车内使用试验手段进行排查，其缺陷有二：首先涉及车身等具有长周期模具的件即使被定位为有问题，也已经无法整改；其次受试验手段所限，弱点分析不能充分。
解决以上缺陷可以使用CAE仿真方法，即：通过在数模阶段进行的对后期“试验”的仿真评价以及整改，可以实现在制造费用未发生前预测问题，以避免成本浪费；通过仿真工具，用有限元方法建立整车的模型，用力学、振动学、声学的原理，可以对任一局部进行充分的研究以获取其局部性能与整体性能之间的关系，从而获得局部性能对整体性能的影响，最终获知整体性能上的缺陷由哪一局部性能引起，而对实物样机进行物理试验手段的作用限于验证，不利于充分的从本质上分析问题，因此CAE仿真从技术上弥补了这一缺陷。
但目前所使用的CAE仿真手段，又多限于单位激励载荷或悬置处加速度载荷，并不能从实车表现的角度预测最终问题。
对于发动机引起的车内结构振动与噪声，从激励源上有两大路径，一条为“动力”的传递路径，发动机的运动波动形成的振动经由变速箱?传动系统?悬架系统，由悬架系统合并了路面激励传递进入车身形成乘员舱内振动和噪声，发动机内部对于运动波动形成的不平衡有对应的平衡处理会使这条路径的振动最小化；一条为“阻力”的路径，即缸内未被平衡掉的倾覆力矩和垂向的惯性力，经由动力总成悬置系统?副车架?车身进入车身形成乘员舱内的振动和噪声。
近年来的结构振动和噪声仿真软件，针对汽车行业的开发工具日臻完善，其专业的后处理功能，使模态贡献量分析、钣金贡献量分析、路径贡献量分析使用更加方便，而多级自动子结构方法的在NVH行业内的应用，也使大规模计算仿真更为容易。
因此本发明是基于实际的需要，为了解决现有手段的缺陷，利用以上技术的发展而研究的一种车内振动和噪声的计算机仿真预测方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法。
本发明的汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法包括如下步骤：
A：计算发动机的曲柄机构的往复惯性力和往复惯性力矩；
B：根据发动机燃烧压力计算出气体压力产生的力矩；
C：将发动机载荷分阶次处理成频域载荷；
D：建立整车NVH有限元仿真模型，并根据模态初步判定模型的正确性，将载荷加载在模型中的发动机质心处；
E：计算车内振动和噪声的响应曲线，并与目标值进行比对；
F：根据车内振动和噪声的响应曲线和目标值找出影响NVH性能的峰值点，进行贡献量分析；
G：根据贡献量分析结果进行结构改进，降低噪声或振动峰值。
分析发动机在运转时主要的不平衡载荷，包括往复惯性力、往复惯性力矩，即惯性激励，以及在气体压力下所受的压力力矩，即燃烧激励。惯性激励和燃烧激励构成了发动机结构振动和噪声的主要激励载荷。
为方便后期CAE分析中加载，将两部分激励中的力矩部分，及惯性力矩和燃烧压力力矩合并为“倾覆力矩”，这样发动机激励载荷即可分为两部分：气缸轴线方向（整车坐标系的Z方向）的往复惯性力，与绕曲轴（整车坐标系的Y方向）的倾覆力矩。
所述A步骤中，发动机的曲柄机构在运动时的惯性力和惯性力矩分别为：
；
；
其中，连杆比，而为曲柄机构的往复运动质量，为曲柄转过的角位移，为曲柄转动的角速度，为曲柄半径，为连杆长度（见图1标注）。
往复惯性力和往复惯性力矩可以在发动机动力学分析软件中计算获得。
在燃烧过程中缸内产生一个作用于活塞上的力，该力等于燃烧压力乘以活塞面积，对外没有影响，因为只直接作用在缸盖上，整个发动机对于这个力是内部平衡的。而燃烧力矩则作用在燃烧室中并最终作用在动力总成悬置上。所述B步骤中，气体压力产生的力矩为：
；
其中，为燃烧力矩，为燃烧压力，为活塞面积，为曲柄转过的角位移（见图1标注）。
发动机不平衡载荷是一组与转速相关的曲线，旋转机械的振动激励有明显的阶次特征，即在频域表现为转速的倍频（整数倍或0.5倍）特征，因此，所述C步骤中，将发动机载荷以整数倍或0.5倍进行阶次处理即可得到频域载荷。
不同缸数和冲程的发动机的主要激励阶次是不同的。具体来说，所述C步骤中，当发动机为四缸四冲程的发动机时，以2阶、4阶、6阶进行阶次处理即可得到频域载荷。
所述D步骤中，所述整车NVH有限元仿真模型，是指含有全车所有零部件的有限元模型，其中金属结构件画出其网格，而内外饰、电子电器及动力总成件作为质量点进行建模。
所述D步骤中，根据计算出的模态结果，做出模态分布图，对比整车NVH目标体系中的模态分布目标，确保各项关键模态在目标范围内；若差异过大，则首先检查模型，排查模型中的错误并进行改正。
本发明的汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法可以从实车表现的角度获知车身结构等对车内振动和噪声的贡献量，并据此对车身结构等加以改进，实现在制造费用未发生前预测及解决问题，节省了大量成本和缩短了开发周期，具有很好的实用性。
附图说明
图1是发动机曲柄连杆机构示意图，其中：-----曲柄转过的角位移；-----曲柄转动的角速度；------曲柄半径；-----连杆长度；-----连杆转过的角位移；-----活塞位移；------往复惯性力；-----往复惯性力矩。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例的汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法包括如下步骤：
A：计算发动机的曲柄机构的往复惯性力和往复惯性力矩；发动机的曲柄机构在运动时的惯性力和惯性力矩分别为：
；
；
其中，连杆比，而为曲柄机构的往复运动质量。为曲柄转过的角位移，为曲柄转动的角速度，为曲柄半径，为连杆长度（见图1标注）。
往复惯性力和往复惯性力矩可以在发动机动力学分析软件中计算获得。
B：根据发动机燃烧压力计算出气体压力产生的力矩，该力矩为：
；
其中，为燃烧力矩，为燃烧压力，为活塞面积，为曲柄转过的角位移（见图1标注）。
C：将发动机载荷以整数倍或0.5倍进行阶次处理，得到频域载荷，当发动机为四缸四冲程的发动机时，以2阶、4阶、6阶进行阶次处理即可得到频域载荷；
D：建立整车NVH有限元仿真模型，并根据模态初步判定模型的正确性，将载荷加载在模型中的发动机质心处；所述整车NVH有限元仿真模型，是指含有全车所有零部件的有限元模型，其中金属结构件画出其网格，而内外饰、电子电器及动力总成件作为质量点进行建模。根据计算出的模态结果，做出模态分布图，对比整车NVH目标体系中的模态分布目标，确保各项关键模态在目标范围内。若差异过大，则首先检查模型，排查模型中的错误并进行改正。
E：计算车内振动和噪声的响应曲线，并与目标值进行比对；
F：根据车内振动和噪声的响应曲线和目标值找出影响NVH性能的峰值点，进行贡献量分析；
G：根据贡献量分析结果进行结构改进，降低噪声或振动峰值。
Claims (8)
1.一种汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法，其特征在于包括如下步骤：
A：计算发动机的曲柄机构的往复惯性力和往复惯性力矩；
B：根据发动机燃烧压力计算出气体压力产生的力矩；
C：将发动机载荷分阶次处理成频域载荷；
D：建立整车NVH有限元仿真模型，并根据模态初步判定模型的正确性，将载荷加载在模型中的发动机质心处；
E：计算车内振动和噪声的响应曲线，并与目标值进行比对；
F：根据车内振动和噪声的响应曲线和目标值找出影响NVH性能的峰值点，进行贡献量分析；
G：根据贡献量分析结果进行结构改进，降低噪声或振动峰值。
2.根据权利要求1所述的汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法，其特征在于所述A步骤中，发动机的曲柄机构在运动时的惯性力和惯性力矩分别为：
；；
其中，连杆比，而为曲柄机构的往复运动质量。
3.为曲柄转过的角位移，为曲柄转动的角速度，为曲柄半径，为连杆长度。
4.根据权利要求1所述的汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法，其特征在于所述B步骤中，气体压力产生的力矩为：
；
其中，为燃烧力矩，为燃烧压力，为活塞面积，为曲柄转过的角位移。
5.根据权利要求1所述的汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法，其特征在于所述C步骤中，将发动机载荷以整数倍或0.5倍进行阶次处理即可得到频域载荷。
6.根据权利要求4所述的汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法，其特征在于所述C步骤中，当发动机为四缸四冲程的发动机时，以2阶、4阶、6阶进行阶次处理即可得到频域载荷。
7.根据权利要求1所述的汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法，其特征在于所述D步骤中，所述整车NVH有限元仿真模型，是指含有全车所有零部件的有限元模型，其中金属结构件画出其网格，而内外饰、电子电器及动力总成件作为质量点进行建模。
8.根据权利要求6所述的汽车车内振动和噪声的计算机仿真预测方法，其特征在于所述D步骤中，根据计算出的模态结果，做出模态分布图，对比整车NVH目标体系中的模态分布目标，确保各项关键模态在目标范围内；若差异过大，则首先检查模型，排查模型中的错误并进行改正。
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