一种基于超单元和有限元混合模型的NVH分析方法与流程

本发明属于汽车
技术领域：
，具体涉及一种基于超单元和有限元混合模型的nvh分析方法。
背景技术：
：在竞争日益激烈的汽车市场上，随着人们对驾乘舒适性要求的不断提高，整车nvh性能已经成为消费者最为关注的产品性能之一。在设计前期通过cae仿真技术对整车nvh性能进行把控，是解决汽车nvh问题、提升产品品质的有效手段。在实车试验前开展虚拟样车验证工作，可减少后期整改问题的次数，缩短产品的研发周期。传统nvh仿真分析方法是建立整车的有限元模型，在此基础上加载相应工况，分析及优化整车nvh性能。但是，该分析方法存在分析周期长、计算所需磁盘空间较大以及结果文件较大的缺陷。以计算路面激励工况下的整车噪声为例，在目前通用的10mm×10mm单元尺寸的规范下，整车的有限元模型单元数量通常达百万级。一次分析就长达十几个小时，中间过程文件需要几十甚至上百gb，计算结果文件通常达到20gb以上。而整车nvh性能往往需要经过多轮次优化迭代之后，才能达到设计目标，这就可能导致每个数据节点的整车nvh性能分析时间长达数周，计算效率过低而且造成计算资源的浪费，难以保证项目按照节点时间正常进行。技术实现要素：为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于超单元和有限元混合模型的nvh分析方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于超单元和有限元混合模型的nvh分析方法，包括以下步骤：步骤1，建立整车有限元模型；步骤2，利用模态综合法，将所述整车有限元模型中的部分有限元子模块模型分别缩聚为独立的超单元子模块模型；步骤3，利用超单元子模块模型与有限元子模块模型(除去部分子模块后剩余的)之间的位移协调条件及力平衡条件，通过子模块模态综合建立运动方程，从而得到由超单元子模块模型和有限元子模块模型组成的整车混合模型；步骤4，利用所述整车混合模型进行nvh仿真分析。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过建立整车有限元模型，利用模态综合法，将所述整车有限元模型中的部分有限元子模块模型分别缩聚为独立的超单元子模块模型，建立由超单元子模块模型和有限元子模块模型组成的整车混合模型，利用所述整车混合模型进行nvh仿真分析，减少了分析中未变更有限元子模块模型重复计算的次数和时间，重复计算次数越多，节省时间的优势越明显，因此明显提高了计算速度；同时还使过程文件和计算结果占用的存储空间大大减小。附图说明图1为采用本发明混合模型和整车有限元模型进行仿真分析得到的路噪频响曲线。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明实施例一种基于超单元和有限元混合模型的nvh分析方法，包括以下步骤：s101、建立整车有限元模型；s102、利用模态综合法，将所述整车有限元模型中的部分有限元子模块模型分别缩聚为独立的超单元子模块模型；s103、利用超单元子模块与有限元子模块之间的位移协调条件及力平衡条件，通过子模块模态综合建立运动方程，从而得到由超单元子模块模型和有限元子模块模型组成的整车混合模型；s104、利用所述整车混合模型进行nvh仿真分析。在本实施例中，步骤s101用于建立整车有限元模型。首先利用有限元前处理软件，将子模块的cad模型划分为有限元模型，并赋予各零部件相应的材料与属性等，然后根据装配关系完成整车有限元模型。整车有限元模型中的子模块主要包括车身子模块、车门子模块、动力子模块、传动子模块、悬架子模块、轮胎子模块、转向与制动子模块、车身附件子模块以及声腔子模块的有限元模型，还包括将所述子模块组装在一起的铰链、螺栓和衬套的有限元模型。在本实施例中，步骤s102用于将整车有限元模型中的部分子模块模型转换成超单元子模块模型。超单元可以看作一种子结构，每个超单元的处理都形成一组减缩矩阵(质量、阻尼、刚度等)，代表从相连的邻近结构所看到的超单元特性。由于本实施例是要建立超单元子模块模型与有限元子模块模型混合的模型，因此，只需将部分子模块模型转换成超单元子模块模型，剩余的有限元子模块模型保持不变。在实际应用中，可根据工程需要自由选择将哪些有限元子模块模型转换成超单元子模块模型，并与剩余的有限元子模块模型装配成混合模型。根据汽车开发周期以及计算效率要求，一般选择在整个开发周期内更改变动较多的子模块采用有限元分析模型，如车身、车门、车身附件及声腔模型；而将更改较少的动力、传动、悬架、转向与制动等子模块缩减成超单元模型。为了方便对结构设计进行优化和验证，根据车型实际开发需要，通常按照下列原则创建超单元模型：尽量照顾结构的自然划分；尽量分割零部件联系较少处，即铰链、衬套与螺栓等连接处；所有超单元边界节点所组成的框架应该为整车结构的骨架。在本实施例中，步骤s103用于建立由超单元子模块模型和有限元子模块模型组成的整车混合模型。为简便起见，下面以两个子模块a和b组成的系统为例说明混合模型的方法。将子模块a缩减为超单元模型，子模块b仍采用有限元模型。利用子模块间位移协调条件及力平衡条件，进行子模块模态综合，得到系统的运动方程为：引入子模块间的约束方程：整理后得到系统的运动方程为：其中，式(8)～(11)中ω为子模块对应特征频率形成的对角矩阵，n为子模块b的自由度数，其他符号的含义参见后面式(1)～(7)中各符号含义的说明。求解式(11)可得系统的各阶固有频率和模态，再用模态叠加法求解系统的动力学特性。在本实施例中，步骤s104用于利用上一步建立的整车混合模型进行nvh仿真分析。根据实际工程需要，可以利用超单元和有限元混合模型进行各种级别的nvh仿真分析与优化。例如，内饰车身的振动与噪声传递函数分析及优化，整车的路面激励噪声(简称路噪)和动力总成噪声分析及优化等。图1是采用本实施例整车混合模型和整车有限元模型进行仿真分析得到的路噪频响曲线。由图1可知，混合模型和有限元模型的路噪仿真分析结果的峰值和对应频率一致性较好，混合模型分析结果能够有效预测该车型驾驶员外耳的路噪频响特性。对比结果说明了本实施例的有效性和可行性。本实施例利用整车混合模型进行nvh仿真分析，减少了分析中未变更有限元子模块重复计算的次数和时间，重复计算次数越多，节省时间的优势越明显，因此明显提高了计算速度；同时还使过程文件和计算结果占用的存储空间大大减小。整车路噪仿真分析的计算时间、所需磁盘空间以及结果文件存储占用空间如表1所示。由表1可知，本实施例所述方法相对基于有限元模型的传统分析方法计算时间节省了93％以上，计算所需空间降低了96.0％，存储空间节省了98.7％。表1路噪仿真分析计算时间、所需空间与存储空间对比分析模型计算时间/h计算所需空间/gb存储空间/mb混合模型0.94.3456有限元模型13.5107.735129作为一种可选实施例，所述s101还包括对整车有限元模型的优化过程：计算整车有限元模型模态分析结果与整车试验模态测试结果的误差，如果所述误差大于设定的阈值，修改整车有限元模型直到使所述误差小于设定的阈值。在本实施例中，为了提高整车有限元模型的精度，还设置了整车有限元模型的优化步骤。由于建立有限元模型时存在对某些连接刚度、边界条件以及其它力学参数近似或简化等缺陷，因此会影响有限元模型的精度。由于试验模态测试结果可信度较高，因此可将其作为有限元模型的评价标准，有限元模型模态分析结果与试验模态测试结果一致性越高，则有限元模型的可靠性越强。在本实施例中，通过比较二者的误差与设定的阈值的大小判断有限元模型的精度是否满足要求，如果误差大于设定的阈值，不满足要求，调试整车有限元模型。模型调试方法主要是通过优化有限元模型关键位置的刚度、阻尼及质量等力学参数来降低有限元模型模态与试验模态之间的误差。作为一种可选实施例，所述s102还包括对超单元子模块模型的优化过程：计算超单元子模块模型与有限元子模块模型模态分析结果的误差，如果所述误差大于设定的阈值，修改超单元子模块模型直到使所述误差小于设定的阈值。在本实施例中，为了提高超单元子模块模型的精度，还设置了对超单元子模块模型的优化步骤。优化方法是：根据超单元子模块模型与有限元子模块模型模态分析结果的误差是否大于设定的阈值，判断超单元子模块模型的精度是否满足要求，如果误差大于设定的阈值，说明超单元子模块模型的精度不满足要求，对超单元子模块模型进行修正，直到所述误差小于设定的阈值。作为一种可选实施例，所述s102将有限元子模块模型缩聚为超单元子模块模型的方法包括：建立子模块动力学方程：式(1)中，u为子模块的位移，f为子模块所受外力。对式(1)在边界节点自由度和内部节点自由度上进行分解得到：式(2)中，moo、coo和koo分别为内部节点的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；mbb、cbb和kbb分别为边界节点的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；mbo和mob为耦合质量矩阵；cbo和cob为耦合阻尼矩阵；kbo和kob为耦合刚度矩阵；uo和ub分别为子模块在内部节点和边界节点自由度上的位移；fo和fb分别为子模块在内部节点和边界节点自由度上所受的外力。根据式(3)求子模块固定边界的主模态：式(3)中，ωr和φoo分别为主模态的特征频率和特征向量。根据式(4)计算子模块的约束模态φob：式(4)中，ibb为单位矩阵。由式(4)求得：{φob}＝[koo]-1[kob]{ibb}。模态矩阵φ用主模态和约束模态表示为：在固定边界主模态中进行自由度缩减，保留k阶低阶主模态，略去高于k阶的主模态后，子模块位移用缩减的模态坐标表示为：其中，γk表示k阶模态坐标，t为变换矩阵，将式(6)代入式(2)并作对称变换，得到超单元在模态坐标下的运动方程：其中，本实施例给出了将子模块的有限元模型缩聚为超单元子模块模型的一种技术方案，这里不再具体展开详细说明。上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。当前第1页12