整車外場噪聲仿真背景
提到整車NVH仿真，一般大家都會想到NTF、VTF、白車身、TB、SEA法等。這些絕大多數(shù)都是針對于汽車內(nèi)場聲學(xué)的，但隨著對聲品質(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)外主機廠關(guān)注。
對于整車外場噪聲，目前大多數(shù)主機廠還主要是采用試驗的手段。對于乘用車來說，滿足目前的外場通過噪聲法規(guī)暫時沒有壓力，一般只做少量通過噪聲法規(guī)驗證性試驗。但是隨著通過噪聲法規(guī)的逐漸嚴(yán)苛，對于新研發(fā)車型在通過噪聲方面也會逐漸關(guān)注。在商用車的設(shè)計研發(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。但對其研究手段大多數(shù)還是以試驗為主，只有少數(shù)公司在開展相關(guān)仿真工作。對于新能源車的開發(fā)，雖然外場噪聲降低，但為了保證行人安全，法規(guī)對于最低噪聲量級也提出了要求。因此在新能源車設(shè)計中會引入主動發(fā)聲裝置，這也將是一個整車外場噪聲設(shè)計優(yōu)化的領(lǐng)域。
在車型研發(fā)早期引入仿真方法進行分析，將可以大大減少試驗手段的周期和成本。所以，國內(nèi)外汽車主機廠都在相繼計劃開展相關(guān)整車外場聲學(xué)仿真工作。此外，在動力總成包裹覆蓋設(shè)計、整車內(nèi)聲場響應(yīng)時空氣聲的聲載荷計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，整車尺寸都相對較大。為了保證模型可以把實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，否則仿真模型會失真。
整車外場噪聲需要涵蓋從低頻進排氣轟鳴聲到中高頻輪胎及發(fā)動機輻射噪聲，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，在進行網(wǎng)格劃分時需要按照最高分析頻率對應(yīng)聲波波長的1/6來進行劃分。因此模型網(wǎng)格量和計算量都需求較高。
在分析高頻問題時，車內(nèi)噪聲響應(yīng)我們可以采用統(tǒng)計能量方法并利用三分之一倍頻程進行分析，得到對應(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行時域貢獻度分析和聲品質(zhì)分析。因此需采用固定帶寬的窄帶分析，這樣可以計算規(guī)模也會加大。
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
對于單個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，因此對應(yīng)此類外場問題研究較適用。同時聲學(xué)有限元法中可以對內(nèi)飾材料進行精確建模。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)仿真計算要求，可以大大減少聲學(xué)有限元網(wǎng)格量。同時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)格量會非常巨大，因此在這個情況下建議采用高級邊界元技術(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，計算資源無法滿足要求，Simcenter 3D這種將會有聲線法提供幫助。聲線法可以將聲源等效為射線，采用射線聲學(xué)的技術(shù)進行分析求解。而對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)有限元法進行聲源與外部場點傳函計算，結(jié)合聲源測試和西門子Simcenter Test.Lab PBN-TPA/ASQ模塊可以對通過噪聲結(jié)果進行時域合成，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)計可以采用Simcenter3D聲學(xué)有限元法/聲線法進行揚聲器位置和放置方向的多方案對比。圖7為某主機廠外場噪聲分析案例。
圖8 行人警示音系統(tǒng)設(shè)計案例
對于發(fā)動機艙以及電驅(qū)動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進行快速分析評估。圖8 為某內(nèi)飾廠商分析對比案例。
圖9 發(fā)動機艙聲學(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)前期進行用于聲學(xué)包分析的聲載荷計算。這樣在新產(chǎn)品開發(fā)沒有樣車進行聲載荷測試時也可以獲取外部聲載荷并用于內(nèi)飾設(shè)計評估。同樣的方法也可用于低頻排氣噪聲對于車內(nèi)噪聲響應(yīng)分析中。圖10為聲學(xué)包分析的聲載荷計算流程。
圖10 外聲場載荷計算流程
