汽车NVH综合技术：CAE的应用与效益

在20世纪60年代以前，汽车噪声与振动的改进基本上是基于试验和简单的计算。60年代后，计算机逐步被应用到汽车领域，首先用于结构分析，有限元被用于计算汽车部件的模态和响应。到了70年代，随着计算机容量和计算速度的飞速发展，有限元网格可以划分得更细，计算精度达到相当高的水平。到了80年代，随着工作站的应用，大型计算机成为现实。于是，出现了整车噪声与振动的计算，其中以模态综合技术为主。

汽车结构复杂，零部件众多，且多为不规则形状，任何连续的解析方法对汽车总体及其大部分零部件噪声振动的分析都很难发挥作用，只有利用离散和数值模拟方法求解才能奏效。而在汽车振动噪声问题中最常用的是数值模拟方法——有限元法。有限元法是用有限单元将结构弹性域或空气域离散化，根据力学方程或声学波动方程，得到联立代数方程式，通过求解代数方程式得到结构弹性体或声传播空气域中的振动或声学特性。

有限元法需要将结构用有限单元离散化。结构划分的单元数愈多，自由度也就愈多，计算精度也愈高，但计算时间也愈长。相应的对计算用硬件及软件的要求也愈高，计算的成本也就愈高。

在汽车噪声问题中，声学有限元法主要用于分析汽车结构振动引起的车内噪声问题。声学有限元法是用有限单元将声传播的空气域如汽车内部空间离散化，根据声学波动方程式求解空气域的声学特性。通常，使用结构有限单元将声传播空气域周围的结构振动进行离散化，同时考虑结构-声腔耦合问题求解，在求得结构振动的同时，也求得空气的声传播特性。

声学有限元法可以根据车内空间声学模型和车身结构模型求得车内声学模态频率及其声模态，以及车身结构的模态频率及其振动模态。利用这样的模型，可以研究车身板件振动对车内声场特性的影响、车身振动模态对车内声场的模态灵敏度等。另外可从实验中得到车身激励模型，计算出车内声场的声压分布和声压的频率响应，分析强迫振动的辐射板件对车内声场的贡献及找出声学影响系数最大的板件。

CAE技术可以应用到汽车开发制造的各个阶段。在产品概念设计阶段，需要确定整车的布局，如动力总成的类型、悬置系统结构形式、排气系统布置和驱动系统类型等，简易的CAE模型，如使用车身主要断面特性搭建的梁单元模型，可以初步进行刚度、模态分析，对车身的动、静态性能加以预测。(www.xing528.com)

产品开发中期，在样车制造出来之前，利用CAE方法搭建的有限元模型，可以用来开展各项分析和预测。如零部件的模态、悬置系统的优化设计，甚至整车级别的振动噪声。有经验的CAE工程师，能利用设计部门提供的CAD模型及材料等参数，按照事先设定的目标和方法对新产品进行各项性能分析，对不合格的项目进行优化设计，并将优化后的方案提供给设计部门，设计部门的工程师根据CAE工程师的意见对设计方案加以调整，并将调整后的数据再反馈给CAE工程师，CAE工程师再对新的方案进行详细的验证。因此说，在整个设计阶段，设计部门与CAE相互配合，共同努力，争取在虚拟设计阶段就能预测产品的各项性能，将一些有可能出现的问题提前解决，或者降低其发生的概率。

产品开发后期，CAE工程师计算出产品的各项性能。当各项性能基本达到目标后，才开始制造样车。通常要制造十几台甚至几十台样车来开展各项试验。试验工程师根据试验计划对样车开展各项测试，包括主观评价和客观测试，评价样车的各项指标是否达到预期的要求，有问题的项目记录在案，并进行分析，查找问题发生的原因，制定解决方案。同时，试验工程师将试验报告及分析数据提供给CAE工程师，CAE工程师根据试验结果对先期的分析模型及方法进行必要的调整，以提高CAE分析的精度，为后续产品的开发积累数据和经验。

样车试验完成后，转入小批量生产阶段，这时的工作重点转移到解决批量生产中出现的问题及生产稳定性问题，如考察零部件的一致性问题、耐久性问题。

汽车产品在各个阶段都可能出现NVH问题，甚至进入市场销售的产品也是如此。众多的客户对车内噪声的抱怨、投诉证明了这一点。出现这样的问题，汽车厂商应该尽快组织人员对问题加以处理，否则一旦问题扩大，必将造成难以估量的损失。当前，解决NVH问题大多还是依靠试验手段。根据试验测试数据，制订方案、试制样件、装车试验。这种传统的解决方法往往会消耗大量的时间、人力、成本。CAE方法为我们提供了更为有效的途径。在必要的测试数据和参数的支持下，利用CAE方法，可以在试制样件之前，对各种方案进行评估，以及确定相对准确的方向，避免盲目的试制和试验，可以节省大量的时间和成本。