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MSC.Nastran在轻型客车NVH特性研究中的应用 |
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作者：马天飞 林逸 张建伟 |
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摘要：本文以某轻型客车为研究对象，利用MSC.Nastran软件建立了用于整车NVH特性研究的有限元模型，并介绍了MSC.Nastran软件在NVH特性研究过程中的具体应用。
1 前言
NVH指的是Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（声振粗糙度），由于它们在车辆等机械中是同时出现且密不可分的，因此常把它们放在一起进行研究。对于汽车来说，乘员的一切来自于车的触觉和听觉感受都属于NVH特性研究的范畴，表现为乘员的乘坐舒适性，而噪声又是其研究的重点。调查表明，目前人们对乘坐舒适性的要求明显提高，这就使以改善汽车乘坐舒适性为目的的汽车NHV特性的研究变得更加重要[1]。
汽车NVH特性的研究方法有多种，其中有限元方法（FEM）和多体（MB）系统动力学方法相结合的分析方法较为成熟。利用它们建立的刚体、弹形体混合模型可用于车内低频噪声（20~200Hz）的预测。车室内部的噪声预测是建立在对车身结构和封闭空腔之间声固耦合作用（FSI）模拟的基础之上的，其模型必须能够反映出车身结构和车室内空气的动力学特性和两者在边界上的相互作用关系[2]。
利用MB/FEM仿真技术确定出作用于车身上的力，再通过FSI分析求出车室内部声压级，就可以评价不同工况下车室内部的结构噪声了。图1表示出了汽车NVH特性研究的一般过程。
图1 整车NVH特性研究过程
作为大型通用有限元软件，MSC.Nastran在整车的NVH特性研究中可以起到重要的作用，被许多汽车公司所采用。下面以某轻型客车为研究对象，具体介绍MSC.Nastran软件在整车NVH特性研究中的应用。
2 MSC.Nastran在整车建模中的应用
在研究整车NVH特性的过程中，为了准确模拟车室内的噪声水平，必须确定车室声固耦合模型在各种工况下所受到的激励力，为此必须建立准确的整车模型。下面首先利用MSC.Nastran软件建立细化的白车身模型，再利用超单元技术将车身有限元模型作为柔体转换到多体软件MSC.ADAMS中。
2.1 白车身有限元模型
白车身是车身的主体部分，其有限元模型占据着绝大多数的自由度，因此在分析中具有极为重要的地位。图2是利用MSC.Patran对某轻型客车的白车身CAD模型划分网格，建立的有限元模型。整个模型共有24882个节点，29593个单元。建模过程中对一些不重要的特征（如：小孔等）进行适当地简化，以减少模型的自由度，便于计算。
图2 白车身有限元模型
建立了白车身的有限元模型之后，可以对它进行模态分析，以获得它的共振频率，再通过修改车身结构避开激励频率，从而防止产生共振。另外，通过模态振型可以判断出车身变形较大的部位，从而可以有的放矢地改进车身刚度，减少振动噪声的产生和传递。MSC.Nastran的SOL103求解器可以高效稳定地进行结构模态分析。图3为模态分析得到的车身第一阶扭曲模态（图a.b）和第一阶弯曲模态（图c.d）。
图3 白车身的模态分析结果
在白车身有限元模型中再加上其它车身部件：如车门、发动机罩、座椅、内饰件等，就可以得到与实际结构尽可能相近的详细车身模型，从而更加准确地模拟实际的车身结构[3]。
2.2 车身超单元模型
在建立整车模型时，为了有效地将有限元模型与多体模型结合起来，可以利用车身模型建立超单元（Superelement）模型，再作为多体模型中的一个部件合并到底盘多体模型中。
有限元分析中的超单元是指子结构（实际结构的一部分）的有限元模型，在数学模型中表现为各种物理量（如：质量、刚度、载荷等）从内点向外点或边界点缩减得到的边界矩阵[4]。在超单元分析中，子结构的内点将被忽略，对外只表现为外部节点的自由度。在求解出缩减得到的剩余结构（外部节点）的位移之后，再求解内部节点的位移。
在MSC.Nastran中建立柔体超单元模型时保留下的外部节点就是合并到MSC.ADAMS的多体模型中时的连接点。在MSC.ADAMS/FLEX中可以在连接点处建立各种边界条件（如：铰链或力）。
在MSC.ADAMS/View中可以接受的柔体模型是以模态中性文件（MNF）的形式出现的。在MNF中保留着柔体的全部模态信息，它是由NASTRAN的输出文件（*.out）经过MSC.ADAMS/FLEX中的转换工具的转换而产生的。转换工具是由mnfx.alt和msc2mnf.exe两个程序组成的：mnfx.alt是用于产生MSC中间文件的DMAP转换程序，它利用NASTRAN中的部件模态合成的超单元技术在NASTRAN输出文件中提取所需的柔体信息，并写成二进制文件；而msc2mnf.exe则读此文件并通过MSC.ADAMS/FLEX中MNF工具箱中的一系列程序写出相应的MNF。
图4为利用该客车的车身模型转化得到的超单元模型形成的MNF在MSC.ADAMS/View中建立的柔体模型。将它连接到在MSC.ADAMS/View中建立的底盘多体模型中，就可以得到整车模型。最后在MSC.ADAMS/View中施加模拟激励（如：路面谱、凸块冲击载荷等），测量出这些工况下底盘与车身之间连接点的响应力，并作为车室声学分析的激励。
图4 转换到MSC.ADAMS/View中的车身超单元模型
3 MSC.Nastran在建立车室声固耦合模型中的应用
汽车车室构成封闭空腔，形成一个声学系统，其声学特征表现为与固有频率和振型（压力分布）相联系的声学振动模态 [5] 。汽车NVH特性研究的重要内容就是要模拟预测车室内的噪声。
空腔声学模态是通过边界条件与车身结构的振动相耦合的，这种边界条件（开放的、刚性的或弹性的等）建立了车室内空气运动和车身壁板振动运动之间的关系，因此空腔声学特性和车身结构动力学特性共同决定了车室内部的声压。
试验表明：车身壁板的振动会改动声学振型的频率，移动节线（声压为零的界线），并使车室内的噪声响应发生重大变化。为了准确模拟车身板件与声腔中空气之间的相互作用，就要把车身结构视为弹性体，在MSC.Nastran中建立车室空腔与车身结构的声固耦合模型，并在分析耦合系统振动模态的基础上进一步进行声学响应分析。
在声固耦合模型的动力学方程中，由于结构和空气在界面的相互作用而导致质量和刚度阵中引入了对角线外的耦合项，这样在对系统进行模态分析时将出现复特征值，在应用MSC.Nastran进行模态分析时应采用SOL107求解器。
在MSC.Nastran中建立声学有限元模型时，可利用MSC.Patran提供的HEXA等实体单元建立三维的声学单元，并将相应的节点数据卡的第7域添加-1，将它改为流体单元节点。在建立声固耦合模型时需要在耦合界面上将声学单元的节点与结构单元的节点一一对应[6]。
声学单元的理想尺寸大约是每个波长六个单元，实际上通常采用的声学单元的长度一般为0.1~0.2米。第一阶声学模态一般为出现在40~80Hz左右的纵向声学模态，空腔越长频率越低。在空腔中加入座椅将使它的有效长度增加，从而降低了它的声学模态频率。
在建立声固耦合模型时，一般是先建车室空腔模型，然后再建车身结构模型，最后再把它们耦合起来。如果建模时先从结构模型入手，将使建模工作增加不必要的麻烦。
这时的车身模型在结构上比前面提到的详细车身要简单一些，但为了准确模拟声学响应，应在模型中加上对声学模态影响较大的座椅、内饰件等。如果只为了定性地研究声固耦合作用对车室空腔声学模态的影响，可以将模型进一步地简化。图5所示为该客车车室简化的耦合模型，模型中共有声学单元30个，节点75个；结构单元66个，节点68个。结构单元的节点与声学单元边界的节点全部耦合。
图5 简化的客车声固耦合模型
图6~9是在MSC.Nastran中分析得到的车室空腔的声学模态及其耦合模型的声学模态。其中a、b图为自由边界的空腔声学模态，c图为近似的刚性壁空腔的声学模态，d图为3毫米钢板柔性壁空腔的耦合声学模态。
图6 声固耦合模型的第一阶模态
由图6可以看出：由于该车的车室较长，其自由边界空腔的第一阶模态频率较低，为36.663Hz；而对于刚性壁模型来说，由于声场的边界被约束，其声学模态的振形变化较大，但模态频率的变化不大；在柔性壁模型中，它的模态振形与刚性壁模型的很相似，但在车室的中部其声压分布已经出现较大的变化。另外，柔性壁耦合模型的模态频率也发生了变化。
图7 声固耦合模型的第二阶模态
图7所示的第二阶声学模态仍然是纵向模态。由于模型的几何形状比较规则而且在纵剖面上形状没有变化，因此它的模态频率基本上是第一阶频率的二倍，其声压分布在横向上基本没有变化。另外，与第一阶模态相比较，柔性壁、刚性壁模型之间模态频率和模态振形的变化变小了。
图8 声固耦合模型的第三阶模态
车室空腔的第一个横向声学模态出现在108.73Hz，由于车室的长宽比比较大，因此它位于第二阶纵向模态之后。由图8可以看出：由于模型是左右对称的，因此它的模态振形也均匀对称。
图9 声固耦合模型的第五阶模态
在第五阶声学模态（如图9所示）中，车室空腔的纵向模态与横向模态相互作用，其综合振型使得声压在车室空腔内的分布更加复杂，由于它的模态频率也比较低，对车室内声场的计算影响比较大，因此在预测车室内的噪声时应予以充分的重视。
在MSC.Nastran中建立了汽车车室的声固耦合模型并在MSC.ADAMS软件中计算得到了它的激励力，就可以利用MSC.Nastran中的SOL108、109等求解器进行车室内的声学响应分析。
4 结论
在汽车低频NVH特性的研究中，利用MSC.Nastran软件能够方便地建立车身结构模型并顺利完成车室的声固耦合分析等工作。另外，使用它可以方便快捷地实现有限元模型与多体模型的结合，使计算机仿真工作能够更加高效地为汽车NVH特性的研究提供服务。
参考文献：
1 林逸，马天飞，姚为民，张建伟. 汽车NVH特性研究综述. 汽车工程 2002.3
2 D.Griffiths. Vehicle NVH Design Guide. Ford Motor Company 1993
3 顾彦，何波. MSC.Nastran在汽车NVH中的应用.2001年MSC.Software中国用户论文集
4 MSC.Nastran Superelement Analysis SEMINAR NOTES. July 1999
5 [美]M.M.凯墨尔,J.A.沃尔夫 编 陈砺志 译, 现代汽车结构分析,人民交通出版社 1987.9
6 Fluid—Structure Analysis using MSC.Nastran. July 1999(end)
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(1/26/2008) |
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