整車外場噪聲仿真背景
提到整車NVH仿真，一般大家都會(huì)想到NTF、VTF、白車身、TB、SEA法等。這些絕大多數(shù)都是針對(duì)于汽車內(nèi)場聲學(xué)的，但隨著對(duì)聲品質(zhì)需求和相關(guān)外場噪聲法規(guī)的要求逐漸提高，整車外場噪聲也逐漸被國內(nèi)外主機(jī)廠關(guān)注。
對(duì)于整車外場噪聲，目前大多數(shù)主機(jī)廠還主要是采用試驗(yàn)的手段。對(duì)于乘用車來說，滿足目前的外場通過噪聲法規(guī)暫時(shí)沒有壓力，一般只做少量通過噪聲法規(guī)驗(yàn)證性試驗(yàn)。但是隨著通過噪聲法規(guī)的逐漸嚴(yán)苛，對(duì)于新研發(fā)車型在通過噪聲方面也會(huì)逐漸關(guān)注。在商用車的設(shè)計(jì)研發(fā)中，由于其本身功率大等特性，外場通過噪聲一直是商用車NVH領(lǐng)域比較重要的方向。但對(duì)其研究手段大多數(shù)還是以試驗(yàn)為主，只有少數(shù)公司在開展相關(guān)仿真工作。對(duì)于新能源車的開發(fā)，雖然外場噪聲降低，但為了保證行人安全，法規(guī)對(duì)于最低噪聲量級(jí)也提出了要求。因此在新能源車設(shè)計(jì)中會(huì)引入主動(dòng)發(fā)聲裝置，這也將是一個(gè)整車外場噪聲設(shè)計(jì)優(yōu)化的領(lǐng)域。
在車型研發(fā)早期引入仿真方法進(jìn)行分析，將可以大大減少試驗(yàn)手段的周期和成本。所以，國內(nèi)外汽車主機(jī)廠都在相繼計(jì)劃開展相關(guān)整車外場聲學(xué)仿真工作。此外，在動(dòng)力總成包裹覆蓋設(shè)計(jì)、整車內(nèi)聲場響應(yīng)時(shí)空氣聲的聲載荷計(jì)算等問題也都可以迎刃而解。
圖1 整車外場噪聲需求
整車外場噪聲仿真挑戰(zhàn)
在汽車行業(yè)應(yīng)用NVH仿真分析已經(jīng)非常成熟，包括模態(tài)分析、傳函分析、車內(nèi)噪聲響應(yīng)分析等，所用的方法包括了聲學(xué)有限元方法，聲學(xué)邊界元方法，統(tǒng)計(jì)能量方法等。但是整車外場噪聲仿真由于其本身問題的特殊性將會(huì)遇到很大的挑戰(zhàn)。其中包括：
由于要建立整車模型，而不管是卡車還是轎車，整車尺寸都相對(duì)較大。為了保證模型可以把實(shí)際的汽車幾何外形表征出來，所選取的網(wǎng)格尺寸不能太大，否則仿真模型會(huì)失真。
整車外場噪聲需要涵蓋從低頻進(jìn)排氣轟鳴聲到中高頻輪胎及發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲，因此所涵蓋的頻率范圍需要從幾百Hz到幾千Hz，為了滿足高頻噪聲分析的精度，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)需要按照最高分析頻率對(duì)應(yīng)聲波波長的1/6來進(jìn)行劃分。因此模型網(wǎng)格量和計(jì)算量都需求較高。
在分析高頻問題時(shí)，車內(nèi)噪聲響應(yīng)我們可以采用統(tǒng)計(jì)能量方法并利用三分之一倍頻程進(jìn)行分析，得到對(duì)應(yīng)頻帶的平均結(jié)果。但作為外場噪聲分析，如通過噪聲和行人警示音分析往往都需要進(jìn)行時(shí)域貢獻(xiàn)度分析和聲品質(zhì)分析。因此需采用固定帶寬的窄帶分析，這樣可以計(jì)算規(guī)模也會(huì)加大。
圖2 整車外場噪聲仿真挑戰(zhàn)
西門子整車外場噪聲仿真方法
西門子Simcenter3D中集成的聲學(xué)仿真工具繼承了Virtual.Lab Acoustics中的聲學(xué)有限元、聲學(xué)邊界元等功能，并與Nastran結(jié)構(gòu)求解器完全結(jié)合，從不同應(yīng)用角度提供了最專業(yè)的仿真分析手段。
圖3 西門子整車外場噪聲仿真方法
對(duì)于單個(gè)車的整車外場噪聲分析，可以采用聲學(xué)有限元方法。首先有限元方法在對(duì)應(yīng)同等規(guī)模模型的求解效率要比聲學(xué)邊界元高，因此對(duì)應(yīng)此類外場問題研究較適用。同時(shí)聲學(xué)有限元法中可以對(duì)內(nèi)飾材料進(jìn)行精確建模。Simcenter 3D中的聲學(xué)有限元方法集成了聲學(xué)有限元自動(dòng)匹配邊界層技術(shù)（FEM-AML），聲學(xué)網(wǎng)格僅需為外凸網(wǎng)格，聲學(xué)網(wǎng)格內(nèi)外表面之間只需少數(shù)幾層就可以滿足聲學(xué)仿真計(jì)算要求，可以大大減少聲學(xué)有限元網(wǎng)格量。同時(shí)Simcenter 3D中集成了自適應(yīng)階次聲學(xué)有限元求解器（FEMAO），相比傳統(tǒng)聲學(xué)有限元求解器和其他聲學(xué)有限元求解器總體求解時(shí)間可以大大縮短。
圖4 西門子整車外場噪聲仿真聲學(xué)有限元法
如果在外場噪聲問題研究中需要考慮不同車之間交匯時(shí)的影響，如果要保證聲學(xué)有限元網(wǎng)格是外凸的，網(wǎng)格量會(huì)非常巨大，因此在這個(gè)情況下建議采用高級(jí)邊界元技術(shù)。在Simcenter 3D中集成了H-Matrix和FMBEM技術(shù)供選擇。這兩種技術(shù)分別針對(duì)不同的模型規(guī)模有更高的效率，這樣可以使用戶更加靈活的選擇。
圖5 西門子整車外場噪聲仿真聲學(xué)邊界元法
如果遇到超大規(guī)模模型，計(jì)算資源無法滿足要求，Simcenter 3D這種將會(huì)有聲線法提供幫助。聲線法可以將聲源等效為射線，采用射線聲學(xué)的技術(shù)進(jìn)行分析求解。而對(duì)于整車幾何表征不再需要必須滿足1/6波長要求的網(wǎng)格，只要保證能夠表征幾何外形就夠了。
圖6 西門子整車外場噪聲仿真聲線法
整車外場聲學(xué)仿真應(yīng)用
整車通過噪聲可以采用Simcenter3D聲學(xué)有限元法進(jìn)行聲源與外部場點(diǎn)傳函計(jì)算，結(jié)合聲源測試和西門子Simcenter Test.Lab PBN-TPA/ASQ模塊可以對(duì)通過噪聲結(jié)果進(jìn)行時(shí)域合成，圖7 為相應(yīng)整車通過噪聲仿真流程。
圖7 西門子整車通過噪聲仿真流程
行人警示音系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以采用Simcenter3D聲學(xué)有限元法/聲線法進(jìn)行揚(yáng)聲器位置和放置方向的多方案對(duì)比。圖7為某主機(jī)廠外場噪聲分析案例。
圖8 行人警示音系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例
對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙以及電驅(qū)動(dòng)總成包裹覆蓋材料的位置和材料組合方案的選取可以采用Simcenter 3D進(jìn)行快速分析評(píng)估。圖8 為某內(nèi)飾廠商分析對(duì)比案例。
圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)艙聲學(xué)覆蓋分析案例
Simcenter 3D中聲學(xué)有限元/邊界元功能可以在產(chǎn)品開發(fā)前期進(jìn)行用于聲學(xué)包分析的聲載荷計(jì)算。這樣在新產(chǎn)品開發(fā)沒有樣車進(jìn)行聲載荷測試時(shí)也可以獲取外部聲載荷并用于內(nèi)飾設(shè)計(jì)評(píng)估。同樣的方法也可用于低頻排氣噪聲對(duì)于車內(nèi)噪聲響應(yīng)分析中。圖10為聲學(xué)包分析的聲載荷計(jì)算流程。
圖10 外聲場載荷計(jì)算流程
