振动噪声CAE分析训练教程

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振动噪声 CAE 分析训练教程 汽车 NVH 是指 Noise(噪声) 、Vibration(振动)和 Harshness( 声振粗糙度 ),是汽车舒适 性的一个指标,反映了汽车的动态特性。大多数汽车的NVH 问题主要处理以下四个方面问 题,即系统固有特性、外载荷、动力响应和评价标准,它们都需要通过CAE 技术进行相应处 理和计算。 (1) 系统固有特性研究。在分析汽车的动态特性时,需要利用CAE 建立汽车的整车或零 部件的结构或声学模型,计算其固有的结构、声学模态特性或传递特性。当样车制造完毕后, 可利用试验获得系统的结构、 声学模态特性或传递特性, 测试获得的结果可与CAE 分析结果 进行相关分析、或与CAE 分析结合建立系统混合动力学模型。 (2) 汽车外载荷研究。汽车外载荷即是汽车的激励源。由于汽车的使用条件极其复杂多 变,其外载荷相当复杂和多样化,从发动机旋转体的不平衡,到路面的不平乃至风噪声等等, 都可以成为车内振动和噪声的激励源。而外载荷的时间历程大都带有随机的性质。通常利用 试验手段测定汽车的外载荷,对测定的试验数据进行统计和分析处理,确定典型载荷和极限 载荷,用于实验室台架试验和CAE 计算。 (3) 汽车动力响应研究。汽车动力响应研究是研究汽车NVH 系统在外载荷激励下的响应。 在 CAE 领域,利用系统的力学模型和测量得到的外载荷,可预测计算汽车振动或噪声响应。 (4) 汽车 NVH 评价标准研究。由于汽车NVH 的最终受体是人,所以必须对汽车NVH 的评价标准进行研究。主观评价与客观评价间的关系一直是一个难题。需要进行大量的试验 分析和理论研究。 用有限元方法对汽车0~300Hz中低频的振动和封闭场噪声的预测是非常成功的。由美国 航空航天部门开发的大型有限元商用软件Nastran,具有很强的前后处理功能和有限元计算能 力。由于该软件在车内噪声预测上的成功应用,世界各国在进行车内噪声的预测和分析时, 大多采用该软件。边界元在处理中频问题和无限场噪声问题上则显示了它的优势,比利时的 LMS公司开发的 Sysnoise 软件是目前市场上广泛使用的噪声分析软件之一,该软件结合有限元 与边界元,不仅能分析封闭场,也能分析无限场。在NVH 分析中, CAE技术应用非常广泛, 因此CAE建模显得格外重要。 CAE建模是一切 CAE工程分析的基础。本文件NVH 分析CAE建 模采用 Hypermesh软件,对建模过程进行标准化、规范化处理。 1 CAE 模型的建立 CAE 网格划分是将 CAD 数模转化为 CAE 网格模型, CAE 网格模型是进行模态分析、 振动响应和噪声等分析的基础,CAE 网格模型的质量对CAE 计算结果有直接影响。 1)网格划分 在导入 CAD 模型进行有限元分析 (FEA) 时, 要考虑有限元分析对几何模型的要求与CAD 不同。因此,导入 CAD 模型后,在进行网格划分之前需先进行必要的几何清理工作。通过消 除错位和小孔,压缩相邻曲面之间的边界,改正模型在导入时出现的错误,消除不必要的细 节等,产生一个简化的模型,以便于网格划分和分析。 对于一些厚度较小的薄板零件,选用壳单元来进行有限元分析比较合适。即零件的厚度用 数值表示,而不用几何表示,对零件的中面进行网格单元划分。抽取中面可以在三维建模软 件中进行 (如 UG),也可以在 Altair.Hypermesh 8.0 中进行。但一般采用在三维建模软件中抽取 中面的方法。 车身主要由钣金件组成,一般采用四节点和三节点的壳单元,由于三节点壳单元为常应 变单元,大量使用会导致模型过硬,影响精度,所以应尽量避免使用。网格划分采用软件为 Altair.Hypermesh 8.0,具体步骤如下: (1) 打开CAD模型。点击 file,在open file?找到*.igs文件,CAD模型一般为 UG的igs 文件格式。 (2)在2D页面上点击 Automesh,进入 Automesh面板。单元尺寸一般取 10mm,根据模型 大小可适当调整。 (3) 点击 Mesh 进入网格划分模块。此时处于网格划分模块的Density 子面板中,界面 中 elem size表示单元划分尺寸, elem density表示边界上节点的数量, 改变这两个参数后点击 recalc all 可改变网格。 (4) 点击 return,得到所划分的网格。以某车门外板为例,其网格最终结果如下图所示: 说明:自动或半自动划分的网格模型或多或少存在一些质量问题,这将关系到有限元模型分 析计算的结果精度和收敛性,因此,需要进行质量检查。 例 1 采用 Hypermesh中的自动划分网格功能,划分如下部件的网格。该部件的原始数据文件 为 example1.iges 。在网格划分完成后采用Hypermesh中的 Quality Index 检测网格质量。 采用 Hypermesh 8.0划分网格结果如下,网格结果文件为exaple1.hm 。 2) 定义网格属性 划好各个部件的有限元网格之后,需要对它们的属性分别进行定义。网格属性一般包括 厚度、弹性模量、泊松比和材料密度。 如: 厚度 T=1.2mm、 弹性模量 E=2.1E5MPa、 泊松比 NU=0.3 和材料密度 RHO=7.8E-9t/mm 3 注:定义参数时需注意单位统一,前后一致。 常用材料的参数如下: 玻璃 铝 钢 胶体 3)模型的装配和连接 将定义好属性的有限元模型进行装配,在各部件连接或接触的地方需要进行相应的连接, 常用的连接方式主要是点焊连接、rbe2连接和胶单元连接。 (1)创建焊点单元 ①进入 connectors模块 ②选择 spot 面板,并选择 spot子面板,参数设置如下图: ③点击 create 。创建的焊点如下图所示: (2)创建刚性单元 ①在 1D 面板中选择 rbe2,rbe2面板如下图所示: ②选择要连接的两点,创建后的rbe2如下图所示: (3)创建胶单元 ①进入 connectors模块 ②选择 area面板,并选择 area子面板,设置如下图: ③点击 create 。创建的胶单元如下图所示: 4) 保存文件 2 模态分析 模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标,使方程组解 耦,成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程,以便求出系统的模态参数。 模态分析的目的是求出系统的模态参数(固有频率、振型、阻尼比、模态质量、模态刚 度等) ,为结构系统的振动特性分析、 振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供 指导依据。在已有 CAE网格模型的基础上, 模态分析参数设置在 Altair.Hypermesh 8.0的具体步 骤如下: 1) 定义模态控制卡片 (1) 选择 collectors 工具条按钮,参数设置如下。 EIGRL 表示用兰索士 (Lanczos)法 进行模态计算。 (2)点击进入如下界面, V1 表示模态分析初始频率, V2 表示 模态分析截止频率, ND 表示求解模态的总阶数,参数设置如下: 2) 定义工况 (1) 在 analysis面板中选择 subcase ,进入如下面板并进行相应设置。METHOD 对
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