菲亚特公司Elasis研发中心采用LMS仿真技术加速动力总成开发

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欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... ———LMS集成性仿真流程提高NVH工程开发速度 菲亚特汽车公司是意大利著名的汽车制造商，不但拥有广受普通大众欢迎的菲亚特品牌，还拥有顶级跑车品牌Lancia, Alfa Romeo, Ferrari和Maserati。作为世界排名第五，意大利最著名的汽车制造商，菲亚特集团在过去的四十年内获得过十二次欧洲年度风云车奖项，是唯一一家荣获次数最多的欧洲汽车制造商。自2004年Sergio Marchionne为任命为菲亚特集团CEO以来，公司打破了长期亏损状态，实现获利增长。这正如有些分析家所形容的，菲亚特集团的重组是汽车行业最具戏剧性的转变。2006年菲亚特的收入增长35%，达到313亿美元。菲亚特还计划到2010年，将推出23款新车型，并将现有的车型进行重新设计，这样公司净利将增长近两倍。由此可见，菲亚特不仅仅是在努力摆脱赤字，而是在许多主要汽车大厂都面临不景气时，全力向前发展。 只有在车辆工程的各个方面逐步提高开发速度和效率，公司产品线才能不断地扩展。同样地，菲亚特动力技术公司（FPT，Fiat Powertrain Technologies）也面临着这一问题。菲亚特动力技术公司每年生产近三千万个发动机和两千多万个传动箱，是世界最大的汽车动力总成供应商之一。菲亚特动力技术公司的动力总成系统设计主要是由位于意大利南部的Elasis研发中心完成的，菲亚特公司为Elasis研发中心制订的目标是能够将动力总成开发时间缩短一半，并同时继续保持菲亚特各个车型的高品质。 汽车的声音品质和乘驾感 Francesco Sbarbati是Elasis动力总成NVH部CAE组负责人，他认为：“在评价车辆声音品质和乘驾感时，动力总成是非常重要的部分。特别是传动装置的噪声问题因路面噪声对其掩盖性不断减小而变得愈发突出。” Elasis工程师在早期设计阶段使用计算机仿真技术，预测发动机和变速箱的振动噪声级，使得问题尽可能在开发的前阶段进行处理，例如齿轮啸叫声、齿轮敲击声、动力传动系的轰声和皮带敲击声等问题。 Francesco Sbarbati指出：“由于动力总成工作时是数千个零部件在高速运动，所以快速精确地仿真技术至关重要，因为这样才能确保构建第一辆试验样机的时候，整个动力总成系统能够平稳有效地运转。我们需要先进的建模和分析流程，能够精确地模拟动力总成系统，评估其性能，鉴定出问题根源，并且使得我们可以快速查看设计修改效果。我们期望能将这样的仿真方法紧密地集成在整个产品开发过程中，缩短开发周期。” Sbarbati先生谈及其CAE组正在努力调整仿真流程，使整个流程高度集成化，以打破之前开发过程中的局限性。 “通过与LMS公司工程咨询部的密切合作，我们摒弃了以前使用的分散性仿真流程。以前的开发流程需要大量的手工工作，在各个互不兼容的仿真程序，包括有限元分析(FEA)，多体动力学仿真分析，振动声学和辐射声学预测等，之间交换数据。” “很多零部件，例如辅助装置驱动皮带和发动机悬置，本身是柔性体的。此外，在可听范围内的2,000Hz频率下，刚性零部件例如曲轴和气门机构通常会弯曲，扭曲，从而导致部件的变形。因此，将这些零部件构建为柔性体模型对于能否精确地预测NVH数据来说非常关键。但是，我们以前使用的系统，关键的柔性体参数，例如弹性和刚度属性，必须手动地从Nastran有限元分析模型中提取，再导入多体仿真模型中。然后，还是需要从多体仿真程序中获得的力的数据,通过手工转换再导入振动声学仿真软件中，来预测振动噪声性能。这些工作既繁琐又耗时，而且容易出现数据误差。” 一体化仿真环境 为了打破现有仿真流程的局限性，Elasis研发中心与LMS公司的工程咨询部密切合作，采用LMS Virtual.Lab Motion多体动力学仿真软件，使其成为Elasis研发中心推动实现更高集成性仿真流程的关键组成部分。在LMS Virtual.Lab仿真环境中可以运行Nastran求解器，因而有限元模型——包括载荷数据和柔性体弹性数据——可以直接导入LMS Virtua.Lab Motion多体动力学仿真模块中。LMS Virtual.Lab Motion多体动力学仿真界面中的树结构信息提示，能够帮助使用者方便地管理柔性体表述，这些柔性体是采用更精确的Craig-Bampton方法创建的模型。Sbarbati先生说：“LMS Virtual.Lab Motion多体动力学仿真中的柔性体建模功能对于动力总成仿真的有效性和精确性来说非常有价值。所有的柔性和刚性零部件的模拟都可以结合成一个LMS Virtual.Lab Motion多体模型。” 多体仿真获得的力的数据可以直接导入LMS Virtual.Lab仿真软件中预测噪声和振动的辐射。这样，LMS Virtual.Lab Acoustics声学仿真模块可以用于预测辐射声压级。三种应用程序可以使用同一个模型，并且是在同一的仿真环境下运行，因此节省了大量时间，降低了不同程序间手工转化数据可能引起的误差。此外，对现有物理样机进行的试验测量数据也可以用于整个仿真流程中，使用LMS Virtual.Lab软件中的相关性后处理功能，可以标定模型并验证仿真结果。 Sbarbati先生解释说：“在创建这一仿真流程的过程中，LMS公司工程咨询部提供的技术成为必不可少的一部分。LMS公司专家提出的建议、指导和支持帮助我们重新认识到提升软件效率的重要性，而且将有助于我们继续将我们的仿真能力扩展至整个动力总成开发中。LMS公司的工程咨询部帮助Elasis研发中心实现了集成性NVH解决方案，能够快速、精确地预测出整个动力总成系统的振动。” 他还指出，LMS公司提供的技术转让能够在统一的仿真环境中，模拟分析动力总成NVH性能的各个方面，包括发动机噪声与振动分析、轴承载荷预测、曲柄动力学分析、正时皮带特性和齿轮传动系性能仿真。此外，LMS Virtual.Lab Motion多体动力学软件的优势之一是，能够参数化多体模型，因此，使用者可以快速地修改参数值，并且运行修改后的仿真结果来了解各种模拟效果。“LMS公司的系统不仅能够让我们的工程师构建模型，快速地进行仿真，并且还可以实现更多的分析迭代次数，来优化和改进我们的设计。” 减小齿间敲击声 Elasis研发中心最初的项目中曾使用了LMS公司多体仿真技术来预测各种工况下的齿间敲击声。Elasis研发中心与LMS公司合作创建了变速箱多体模型，表述变速箱多体模型的机械零部件模型中包括离合器壳、轴、齿轮副、轴承和曲柄轴——还包含表述曲柄轴的柔性体模型。Elasis研发中心和LMS更专注于分析轴承上作用有已知力时引起的振动和噪声，并且分析噪声是如何传递至汽车内部。齿轮接触模型中表述的刚体考虑了集中质量和惯量特性，还包括诸如齿轮啮合刚度、齿轮间隙、轴承特性以及轮毂和套筒连接属性等数据。发动机气缸体、输入/输出轴和齿轮箱外壳等零部件的柔度，可以利用有限元模型中所得到的模态参数来表示。变速箱的工作模态分析可以与有限元分析结果进行相关性分析，来修正材料属性并且对模型进行验证，正确地预测齿轮箱敲击声的频率带宽。 多体仿真的输入是发动机速度波动所表征的燃烧脉动，以及表征车辆载荷的传动系统阻力矩。作为时间函数的模态参预因子在多体仿真过程中被求出，这些因子被转换至频域，然后应用于变速箱的声振模型中。这样，能够预测噪声辐射，还可以求出作用于发动机轴承上的力。 这些预测结果与Elasis研发中心的虚拟发动机仿真(VES)试验台架的测试结果相一致。Elasis公司的虚拟发动机仿真试验台架与实际的内燃机所产生的速度和扭矩相类似。这样，可以减少在真实发动机上做测试的需求，降低发动机噪声的掩蔽效应，因此能够确保齿轮箱是记录的唯一噪声源。根据最初项目的结果，Elasis研发中心能够比较LMS软件和其以前使用的技术的有效性和精确度。此外，还创建了一个构建变速箱主要子系统模型的经过证实的方法。 辅助传动装置和正时皮带研究 为了提升发电机和其他设备的性能，Elasis工程师研究了发动机前端的辅助传动装置。特别是蛇形皮带装置，包括控制皮带张力和动力传动的曲轴、耦合器、皮带轮、张紧轮和导向轮。这些辅助设备的NVH研究非常重要，因为皮带很容易引起拍打声或者引起其他噪声问题，并且张紧轮还会出现摆动现象。所以Elasis研发中心的工程师更关注于系统的二阶振动/加速度——四缸、两冲程发动机的主要振动阶。 柔性体描述的零部件包括轴、张紧轮和皮带，皮带阻尼和刚度数据能够方便地从有限元模型转换至多体模型中。和以前一样，LMS Test.Lab获得的试验数据也能够用于标定多体模型并验证结果。同样地，发动机燃烧扭矩作为输入数据导入多体模型中，然后仿真分析的结果能够应用于辅助驱动的声振模型中，预测噪声辐射。 一旦鉴定出潜在问题，例如皮带敲击声，工程师能够快速修改多体模型中传送带张紧轮和滑轮的尺寸和位置，远在实际物理样机构建之前设计出噪声比较小的方案。类似的，LMS Virtual.Lab Motion中创建的正时皮带模型能够柔性体零部件在发动机正时运转时的效果，确保不会产生齿轮敲击声。 Sbarbati先生说：“在仿真整个动力总成系统的过程中，为了使得振动噪声预测能够达到最终的标准，齿轮箱、正时皮带和辅助驱动的研究都是非常关键的。LMS Virtual.Lab软件是这一项目开发的基石，LMS公司工程咨询提供的技术转让对于我们来说也是必不可少的。”(end)

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