即将直播：汽车NVH仿真实际工程应用之安装点动刚度优化实战

2年前浏览4390

导读：NVH（ Noise、Vibration、Harshness ）是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接的。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和汽车的NVH问题有关系，而各大汽车企业有近20%的研发费用花费在解决汽车的NVH问题上。在汽车NVH开发过程中，仿真是其中非常重要的一部分，可以在前期进行性能分析和改善，在后期可提供方向指导和建议参考。

一、整车NVH仿真的主要内容

整车NVH仿真的内容非常之多，就结构仿真而言就有近六十分析大项之多，且包涵的内容非常广泛；在整车开发过程中，通常主要包括以下阶段内容：

竞品车 NVH分析；
目标定义（根据竞品车和相近车型）；
开发车型NVH分析及优化（包括开发的前期各阶段）；
开发车型的试验相关性及模型标定；
实车问题跟踪及解决方案；

其中结构NVH分析包括以下分析（不限于）：

1、车身骨架系统

车身模态分析、车身弯曲刚度分析、车身扭转刚度分析、车身接附点动刚度分析（包括底盘安装点及附件安装点）、车身钣金灵敏度分析、车身阻尼片布置分析、车身局部安装点静刚度分析（如座椅及安全带卷收器）等；

2、底盘系统

转向系统模态分析、动力传动系统模态分析、传动系统扭振分析、悬置系统模态分析、关键支架及系统模态分析等；

3、Trimmed Body级

TB模态分析、GPA分析、PACA分析、FRF分析、声腔模态分析、NTF分析、VTF分析、IPI分析（一般放在车身里分析，可在早期进行优化分析）；

4、整车级

整车模态分析、整车TPA分析、整车路噪分析（如怠速、加速分析）、动力总成质心灵敏度分析、整车Spindle灵敏度分析、传动轴不平衡分析、轮胎不平衡分析、整车Brake Shudder分析、整车Impact分析、整车冷却风扇不平衡分析等；

从整车NVH结构仿真来说，有些分析具有很大的魔法性，即有可能通过尝试很多种方案和方法还达不到预期效果；有时候通过一个简单的操作就可以达到理想的效果，这或许就是NHV被称为“玄学”之一。

动刚度即刚度是随频率变化的，当激励点和响应点是同一点的时候，所得到的刚度为原点动刚度。车身动刚度分析所考察的是在所关注的频率范围内该接附点的刚度水平，刚度过低必然引起更大的噪声。

刚度是指结构或材料抵抗变形的能力。由于结构或材料所受荷载的不同，可能受到静载荷或动载荷，因此，刚度又分为静刚度和动刚度。当结构或材料受到静载荷时，抵抗静载荷下的变形能力称为静刚度；当受到动载荷时，抵抗动载荷下的变形能力称为动刚度。结构或材料既有静刚度又有动刚度。

二、传递函数基础知识

1、传递函数的基础

传递函数简单说就是给一个系统施加一个输入，产生一个输出，中间部分可以用一个函数或矩阵来表征。通过研究汽车系统中每个激励点的传递函数或灵敏度的性质，有助于识别问题区域，进而快速定位或找出问题的根源。

这个方程表达有以下理解：

车身灵敏度表征的是车身在外部激励（振动、噪声）条件下产生响应的程度；
对一个线性系统来说，灵敏度与输入和输出没有关系；
但是对一个非线性系统，灵敏度不仅与系统有关，还与输入和输出有关；
在工程上，可以把车身近似看成一个线性系统，即从这层意义讲，灵敏度反应了车身系统的特征。

2、汽车NVH仿真中的传递函数

对于汽车结构NVH仿真中，实际仿真中应用较多的几个传递函数分析主要有车身接附点动刚度、振动传递函数、噪声传递函数等，其中后两者均与车身接附点动刚度有关，由于其激励点是同一点，其激励点的动刚度水平及特性对振动及噪声传递函数有着一定的影响。

刚度是指结构或材料抵抗变形的能力。由于结构或材料所受荷载的不同，可能受到静载荷或动载荷，因此，刚度又分为静刚度和动刚度。当结构或材料受到静载荷时，抵抗静载荷下的变形能力称为静刚度；当受到动载荷时，抵抗动载荷下的变形能力称为动刚度。结构或材料既有静刚度又有动刚度。白车身动刚度分析所考察的是在所关注的频率范围内该接附点的刚度水平，刚度过低可能会引起更大的振动或噪声；

三、动刚度的基本原理

（1）若某一单自由度阻尼振动系统可表示如下。

图1单自由度阻尼系统示意图

其系统时域动力学运动方程为：

假设其方程的解是简谐运动如下，其中x0为复常数：

通过代表计算可得到系统的频域方程为：

即动刚度可表述为：

其动刚度的幅值可表述为：

由上式可知：

动刚度是一个与频率相关的复数；
动刚度与系统的质量、静刚度以及阻尼有关；
当频率为0时，即w=0，此时动刚度等于静刚度。

图2 动刚度与频率关系曲线

从上图中可以看出：

在低频段，动刚度接近静刚度k，即在低频区域占主导地位的是刚度。如果作用在系统的外力变化很慢，即外力变化的频率远小于结构的固有频率时，可以认为动刚度和静刚度基本相同；
在高频段，动刚度的幅值为ω2m，表明共振频率以上的频率段主要用占主导地位的质量项来描述，这是因为质量在高频振动中，产生很大的惯性阻力。当外力的频率远大于结构的固有频率时，结构则不容易变形，即变形较小，此时结构的动刚度相对较大，也就是抵抗变形的能力强；
在共振频率处动刚度的幅值下降明显，其幅值为ωc，表明在共振频率处主要受阻尼控制。而在共振频率处，结构很容易被外界激励起来，此时采用一些阻尼方案可进行共振峰值的抑制。

（2）动刚度的分析基础

动刚度分析方法一般采用模态频率响应方法，对车身某一点进行激励，得到同一点的响应，即为原点动刚度。通过运动方程可得到动刚度为：Kd=F/X，动刚度是与激励频率有关的函数，随着频率 ω 的变化而改变，包含实部和虚部。

图3 原点动刚度示意图

IPI（Input Point Inertance）为加速度与力的比值，即为加速度导纳，在实际工程中人们为了更好交流，一般将IPI表述为动刚度：

（3）动刚度与噪声或振动传递函数之间的关系

如某点的后悬置安装点噪声传递函数如下图所示，在63Hz有明显峰值。根据这一峰值，一般有多种优化方法和途径，但通常首先查看其安装点动刚度是否明显峰值，进而判断是否是动刚度引起。

1）后悬置安装点动刚度排查

通过查看安装点动刚度曲线，可以看出该点在63Hz有明显峰值，进而可以判断动刚度是引起噪声传递函数超差的其中一个因素。

2）安装点动刚度优化

假如在安装点两点增加如图所示简易连接，则其动刚度曲线变化如下。

3）根据动刚度优化结果，进行噪声传递函数的优化验证，通过查看结果发现，在63Hz噪声传递函数峰值明显下降，效果明显。

综述，通过上述一个简单的案例，我们发现安装点动刚度与噪声或振动传递函数有着一定的影响，为我们在优化噪声或振动传递函数时提供了一个新的思路和方法。

四、安装点动刚度的后处理方法

1、动刚度计算结果

根据动刚度理论，若采用的是加速度响应（亦可采用位移、速度），通过求解可得到所求连接点的动刚度曲线。一般将曲线处理成以下形式，横坐标为频率，纵坐标为加速度（由于是施加单位力，此时的纵坐标单位为mm/s^2/N），这种曲线实际为加速度导纳曲线，但我们也称为动刚度曲线，并采用对数形式，以便于察看和对问题的识别。