一套NVH仿真在整车开发中的分析方法和思路

作者 | CAE之家 仿真秀优秀讲师

首发 |仿真秀App

导读：大家好，我是仿真秀专栏作者，仿真秀优秀讲师——CAE之家，公众号CAE之家创始人，累计粉丝数万人！自2021年在仿真秀认证讲师以来，已在仿真秀分享了多套NVH视频教程，构筑一套汽车NVH CAE分析工程师的仿真知识体系和分析方法，并为学员提供答疑服务，深受用户好评。

现担任某公司CAE负责人，高级工程师，参与多个主机厂整车项目，完成多个整车结构、NVH及安全等性能相关的分析和优化工作，熟练掌握不同分析类型的仿真分析相关软件，仿真分析经验丰富，具有丰富的实际工程案例经验。已发表多篇论文，已申请及授权发明等相关专利约50项，撰写相关分析流程及指南约60余项，在相关平台开展多次机械及汽车仿真知识分享，累计参与人员上万人。曾荣获国家优秀发明专利奖第一作者，荣获中国仿真联盟青年科技奖，某集团科技进步奖4 项，其中一等奖一项、二等奖一项、三等奖二项，均为第一和主要完成人；参与的某型车项目曾荣获中国汽车科技进步一等奖。

本文向读者朋友介绍一套NVH仿真在整车开发中的分析方法和思路，如有不当，欢迎专家老师批评指正共同进步。

一、NVH在整车开发中的意义

NVH（ Noise、Vibration、Harshness ）是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接的。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和汽车的NVH问题有关系，而各大汽车企业有近20%的研发费用花费在解决汽车的NVH问题上。在汽车NVH开发过程中，仿真是其中非常重要的一部分，可以在前期进行性能分析和改善，在后期可提供方向指导和建议参考。

NVH的重要性不言而喻。其中NVH对顾客非常重要：NVH的好坏是顾客购买汽车的一个非常重要的因素；NVH影响顾客的满意度：在所有顾客不满足的问题中，约有1/3是与NVH有关；NVH影响到售后服务：约1/5的售后服务与NVH有关。

众所周知，NVH开发是一个目标制定-分解-验证的过程

Benchmark分析

（1）数据库数据

（2）竞争车的比较测试与分析（主观与客观）

目标设定

（1）确定市场及竞争目标

（2）考虑成本、重量、与其他系统之间的平衡

（3）确定目标

目标分解

设计认证

图1 CAE在NVH开发中的地位

二、NVH的基本概念

NVH——Noise，Vibration，Harshness

Noise——噪声

（1）主要分析频率范围：20-5000Hz

（2）通过频率特性、幅值和品质来评价

Vibration——振动

（1）主要分析频率范围：0.5-50Hz

（2）通过频率特性、幅值和方向来评价

Harshness——

（1）翻译过来有如粗糙度、平顺性等；

（2）主要指是由于振动噪声的综合影响导致的粗糙、刺耳和不和谐的感觉

（3）主要与路面的激励有关

（4）研究频率范围：低频

三、NVH的基本理论

描述一个物体运动的基本量可以表示如下形式：

1、单自由度无阻尼系统

单自由度系统无阻尼自由振动运动微分方程：

2、单自由度阻尼系统

3、传递函数基本概念

图2 传递函数定义

注：

（1）车身灵敏度表征的是车身在外部激励（振动、噪声）条件下产生响应的程度；

（2）对一个线性系统来说，灵敏度与输入和输出没有关系；

（3）但是对一个非线性系统，灵敏度不仅与系统有关，还与输入和输出有关；

（4）在工程上，可以把车身近似看成一个线性系统，即从这层意义讲，灵敏度反应了车身系统的特征。

四、NVH仿真的主要内容

图2 NVH仿真的主要内容

1、NVH仿真通常包括以下内容

（1）竞品车 NVH分析；

（2）目标定义（根据竞品车和相近车型）；

（3）开发车型NVH分析及优化（包括开发的前期各阶段）；

（4）开发车型的试验相关性及模型标定；

（5）实车问题跟踪及解决方案；

结构NVH分析包括以下分析（不限于）：

（1）车身骨架系统

车身模态分析、车身弯曲刚度分析、车身扭转刚度分析、车身接附点动刚度分析（包括底盘安装点及附件安装点）、车身钣金灵敏度分析、车身阻尼片布置分析、车身局部安装点静刚度分析（如座椅及安全带卷收器）等；

（2）底盘系统

转向系统模态分析、动力传动系统模态分析、传动系统扭振分析、悬置系统模态分析、关键支架及系统模态分析等；

（3）Trimmed Body级

TB模态分析、GPA分析、PACA分析、FRF分析、声腔模态分析、NTF分析、VTF分析、IPI分析（一般放在车身里分析，可在早期进行优化分析）；

（4）整车级

整车模态分析、整车TPA分析、整车路噪分析（如怠速、加速分析）、动力总成质心灵敏度分析、整车Spindle灵敏度分析、传动轴不平衡分析、轮胎不平衡分析、整车Brake Shudder分析、整车Impact分析、整车冷却风扇不平衡分析等；

2、NVH仿真性能目标定义

NVH仿真中其中一个非常重要的任务就是目标的确定，可以通过竞品、同平台相近车型及相应理论等确定。如下表为某车型关键子系统及零部件和整车仿真的参考目标。

五、NVH仿真的部分优化思路

虽然从事汽车NVH仿真相关方面的工作有多年了，但在实际工作中也遇到过不少的难点和痛点，以下结合自己对个人专业的理解及实际工程的应用进行了总结和建议，当然也不仅限于以下，仅是自己的一些浅见和心得。

1、汽车NVH专业仿真知识的理解

对于正在从事NVH仿真或想从事这块的朋友，要想做好NVH仿真，首先需要掌握汽车NVH常规的分析方法及优化技巧，如零部件的仿真分析及优化，包括模型建模技巧、模态分析、动刚度分析、静刚度分析及相关的优化，其中应变能优化方法是最为常见最为实用的方法等。

（结构应变能原理）

（提升刚度分析的方法）

例如在NVH零部件分析中，车身的静刚度、动刚度及模态等基本的分析，这些分析方法及结果方法。像车身接附点动刚度分析，这是一项最基础的分析，但是动刚度的结果采用不同的处理方法得到的结果是有所差异，如果不认识到这些差异，不正确对待这些问题，可以会造成一定的困扰。只有我们掌握和理解了这些处理方法，才能更加从容的对待分析结果以及后续的结果评判。NVH分析比较重要的一块就是优化，对于一些不合格或不满足性能要求的项目往往需要提出优化方案，这也是从事NVH仿真的价值所在。掌握这些合适的优化方法显得尤为重要，当然这些优化方法需要自己一定的项目经验和不断的总结。

（不同超单元结果对比）

2、对汽车结构的理解和整车相关运动原理的掌握

汽车NVH仿真往往需要建立整车模型，建立整车模型，需要熟悉汽车结构和一些机构的运动关系。如动力总成动力传输，从发动机-离合器-变速箱-传动轴-主减速器-半轴-车轮这整个动力是如何实现的。这对于我们建立整车模型尤为重要，我们实现不同挡位工况下的整车NVH分析，这些运动原理非常重要。特别是其他专业想从事汽车NVH仿真，需要通过一些渠道学习这些知识，如通过专业书籍的视频课程或网络资源等。

（动刚度与隔振的实际应用）

3、NVH相关理论的学习和理解

汽车NVH之所有被称为玄学，就是其复杂性和综合性。对于从事NVH仿真，需要学习相关的NVH理论知识，包括有限元基础理论、NVH理论等。如模态知识、振动知识、声学知识、单自由度知识、多自由度知识以及隔振知识等这些基础的内容。只有理解了这些知识，才能在我们实际分析或解决实际工程中，自信沉稳。如传动轴模态分析，当分析完成传动轴模态结果，可以利用理论知识进行计算，将仿真与理论值进行对比，检验仿真的正确及进一步理解相关基础知识。

（单自由度模型）

4、多参加项目，积累个人经验

俗话说“实践是检验真理的最好标准”，确实是这样，再好的理论不通过实际的项目实战，很难加深理解和认可，通过参加更多的项目，时刻进行总结和归纳，做好记录，经过一定的时候，对NVH分析优化也有了更多的经验和心得。仿真有它的优势，可以不受时间、地点等外在的影响，可以通过计算机及分析模型实现和验证自己的一些想法和理解，这也是对自己的一个很好的总结和升华。

五、NVH课程系统学习参考

根据NVH仿真的工作经历，整理了一些分析方法和经验总结，感兴趣的伙伴可以关注我在仿真秀上的相关内容，如简略如下所示：

1、动刚度的分析方法和优化思路

动刚度分析方法一般采用模态频率响应方法，对车身某一点进行激励，得到同一点的响应，即为原点动刚度。通过运动方程可得到动刚度为：Kd=F/X，动刚度是与激励频率有关的函数，随着频率 ω 的变化而改变，包含实部和虚部。

图4 动刚度定义

图5 动刚度分析结果

动刚度优化方法（简略）：

1、增加加强筋：

2、搭接合理；

3、关键件材料厚度加厚；

4、优化断面结构；

5、增加加强件；

6、……

推荐大家查看视频课程《汽车NVH之动刚度分析与优化进阶7讲，行业进阶汽车力的传递点的动刚度分析》

您可以得到

（1）掌握整车安装点动刚度分析及优化的目的；

（2）掌握整车安装点动刚度分析及优化的基础理论；

（3）掌握整车安装点动刚度分析的目标来源及设定方法；

（4）掌握整车安装点动刚度分析及优化的设置流程及难点细节等；

（5）掌握整车安装点动刚度分析及优化的三种不同后处理方法的处理流程及难点细节等；

（6）掌握整车安装点动刚度分析及优化的三分之一倍频程方法的处理流程及难点细节等；

（7）掌握整车安装点动刚度与隔振之间的关联和实际应用难点细节等；

（8）掌握整车安装点动刚度在实际工程的分析及优化方法及难点细节等；

（9）掌握整车安装点动刚度在实际工程的案例实操流程及难点等。

2、常见NVH分析项目的分析方法和优化思路

在前期整车NVH建模及分析的基础上，掌握整车NVH分析及优化方法；让你掌握整车NVH仿真及分析核心技术，掌握整车NVH分析和优化能力。推荐大家关注笔者在仿真秀原创视频教程《基于Hypermesh、Nastran和Optistruct整车NVH仿真分析和优化进阶10讲》。见下图

你可学到

（1）在前期整车NVH建模及分析的基础上，掌握整车NVH分析及优化方法；

（2）掌握整车NVH节点贡献量分析的设置流程及难点细节等；

（3）掌握整车NVH模态贡献量分析的设置流程及难点细节等；

（4）掌握整车NVH模面板贡献量分析的设置流程及难点细节等；

（5）掌握整车NVH ODS分析的设置流程及难点细节等；

（6）掌握基于Nastran的整车NVH贡献量优化分析方法设置流程及难点细节等；

（7）掌握整车NVH TPA分析的原理设置流程及难点细节等；

（8）握整车NVH TPA分析的后处理及设置流程及难点细节等；

（9）整车NVH 超单元的分析设置流程及难点细节等；

（10）整车NVH DSA的分析设置流程及难点细节等；

3、整车NVH建模、分析方法和优化思路

《整车NVH仿真分析进阶20讲-掌握Hypermesh和Optistruct在整车NVH仿真应用》，让你拥有独立建立整车NVH模型和仿真分析能力。正在加餐录制10讲，全覆盖NVH结构仿真项目。后续会筹划录制整车级的不同分析项目及方法等。

你将学到

（1）掌握Hypermesh和Optistruct在整车NVH仿真分析的工作流程、注意事项及必备技能：Hypermesh软件基本操作和方法；掌握Optistruct整车NVH仿真分析中所用的常见关键字用法和设置等；

（2）了解国内主机厂在总成建模中的要求和网格划分中所用标准规范；

（3）解决学员在Hypermesh和Optistruct软件应用过程中遇到的难点和痛点；

（4）解决学员在TB及整车 NVH仿真分析建模过程中所遇到的难点问题和痛点，能够具备独立建立TB及整车 NVH模型的能力；

（5）掌握车身安装点动刚度的分析及优化方法，能提出合理的结构改进建议；

（6）掌握TB噪声传递函数的分析及优化方法，能提出合理的结构改进建议；

（7）掌握TB振动传递函数的分析及优化方法，能提出合理的结构改进建议；

（8）掌握整车传递路径TPA分析方法以及结果后处理的方法，能够正确解读整车

4、超单元在仿真中的系列应用

《超单元在产品开发仿真中的系列应用20讲-掌握超单元在产品开发各种仿真中的应用》，让你拥有独立建立采用超单元进行仿真分析及快速解决问题的能力；让你拥有独特的仿真技术能力。

你将学到

（1）掌握超单元的相关基础理论、差异及应用场景等；

（2）掌握超单元的不同设置的应用及详细的差异对比等；

（3）掌握超单元中不同方法在静力学分析中的应用方法；

（4）掌握超单元中不同方法在拓扑优化中的应用；

（5）掌握超单元中不同方法在在模态分析中的应用；

（6）掌握超单元中不同方法在随机振动分析中的应用；

（7）掌握超单元中不同方法在动刚度分析中的应用；

（8）掌握整车超单元传递路径TPA分析方法以及结果后处理的方法，能够正确解读整车NVH仿真结果，提出合理的结构改进建议；

（9）加餐1，掌握超单元在Lsdyna中的分析及应用（录制中）

（10）加餐2，掌握超单元在Abaqus中的分析及应用（录制中）

5、关键子系统NVH仿真方法

笔者在仿真秀平台（官网和APP）还录制了一些关键子系统和零部件的NVH分析及优化方法，可关注学习。

六、小结

汽车NVH（ Noise、Vibration、Harshness ）在行业里素有“汽车玄学”之称，的确如此，不管是仿真分析、NVH性能开发以及NVH试验等等。NVH确实是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接的。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和汽车的NVH问题有关系，而各大汽车企业有近20%的研发费用花费在解决汽车的NVH问题上，从这些方面可以看出NVH在整个汽车开发过程中的作用和地位。

在这个知识快速更替的时代，如何更加更快的适应行业的发展，需要自己的提升，也可以借助一些平台的资源。当今行业竞争虽然激烈，但我们要珍惜当时，利用好资源，抱团学习，让我们一起共同成长进步。

审核编辑：汤梓红