【技术应用】结合试验和仿真改进NVH预测:模态分析案例

hanfeng536

SimRod 动力总成模态测试
汽车市场正在不断发展，许多创新正在出现，动力系统的电气化是这个市场的主要趋势。电驱动系统影响车辆NVH性能的方式与传统燃油车有很大不同。因此，有可靠的数值模型来预测和理解这些现象并改进设计，是成功和及时将产品推向市场的关键。然而，这些预测只有在模型准确地反映现实的情况下才是可靠的。模态分析是验证结构部件的关键工具，可以帮助改进NVH预测。
本文使用西门子测试车辆SimRod的一个部件来介绍这个应用。

西门子SimRod

1 虚拟NVH故障排除
几年前，在对SimRod进行测试时发现一个问题。ECO模式下驾驶时，产生一个非常强烈、并且令人讨厌的单频噪声。通过声品质分析和声源定位，确认了该噪声来自电驱动系统(电机和变速箱)。为了真正了解噪声的来源，需要进行更深入的研究，并且开始寻求建立完整动力系统的多物理场数字双胞胎模型。
建立的第一个仿真模型，未能准确的预测噪声问题。为了改进模型，我们采用了一种更基本的方法，在将它们组合在一起之前，首先重点验证每个单独的部分(齿轮接触建模、电磁力分析和壳体力学建模)。数值仿真和试验模态分析是动力总成壳体模型验证的必然选择。

2 为什么要进行模态分析？
在过去的30年中，模态分析被广泛用于解释部件和结构的结构动力学性能。模态参数（固有频率和模态阻尼）可以通过求解结构有限元模型或者测量物理参数来提取。典型的模态试验通常通过悬吊来复制自由-自由边界条件，这种边界条件已经消除了许多建模的不确定性。

图2 试验模态与仿真模态
模态结果（固有频率和模态振型）是系统的特性，可以从测试和仿真中得出。由于这些模态参数主要与结构的质量、刚度以及连接点的刚度有关，因此可以将试验模态参数用于验证和更新数值仿真模型。

3 定义最佳测试方案
一旦有了CAE模型，就可以进行预试验分析。在此阶段，可用的信息用于优化测试设置，并且可以确定传感器的数量和最佳测量位置:：
        提取感兴趣频率范围内的所有模态
        确保这些模态是唯一的(太少的传感器将导致某些频率的模态看起来相似)。
        对测试对象有一个良好的表征，用以验证测试结果。

图3 SImcenter 3D中的预试验分析解决方案可以为模态试验确定最佳测试方案，确保准确地捕获所有感兴趣的模态。
这些结果是通过专用的软件解决方案实现的，而且还需要仿真工程师和试验工程师之间的相互沟通。在这种情况下，试验工程师初步选定了第一组15个测点，以确保在线框中可以看到动力总成的整体形状。在此基础上，自动选择额外的15个测点，以保证6 kHz内的所有模态都可以准确的描述出来。

4 进行试验测量并分析结果
Simcenter3D中确定的几何线框图形可以通过专有的SC2TL文件格式，传递给Simcenter Testlab，然后就可以进行传感器粘贴，连线等工作，进行频响函数的测试。本案例中，考虑到结构的大小，采用多输入多输出的方案，使用2个Simcenter Qsources高频激振器进行激励。


图4 采用2台Simcenter Qsources高频激振器进行激励和测量
在进行数据验证，并确保结构在高达6 kHz的激励下得到良好的激励后，可以应用模态分析。利用Polymax及其基于聚类的模态参数自动选择算法对稳定图中的模态进行选择。在模态振型计算中加入了残差和互易性，以保证与有限元结果的比较更加准确。

图5 Polymax方法，结合自动模态参数选择解决方案，使选择正确的模态描述我们的模型非常容易。

5 模型如何预测实验结果?
有了试验结果，现在可以验证我们最初的仿真模型。这很容易做到，因为测量位置是直接在有限元模型的节点上选择的，就不需要考虑试验坐标系和仿真坐标系的问题。此外，Simcenter 3D可以直接读取Simcenter Testlab中的几何形状和模态结果，而不需要预先导出结果。
在计算了试验模态和仿真模态之间的模态置信准则MAC之后，就可以找到问题。除了模态之间的相关性比较差之外，该模型刚度过大，第一阶仿真模态频率为600 Hz，而试验模态的频率为350 Hz。
在与仿真工程师讨论后，发现使用了刚性的面面连接来连接组件的不同部分，导致了模型的刚度过大。

图6 MAC矩阵显示了测试结果与仿真结果之间的相关性。

Numerical Modal Analysis: first mode shape
仿真模态分析：第1阶振型

Experimental Modal Analysis: first mode shape
试验模态分析：第1阶振型

Numerical modal analysis: eight mode shape
试验模态分析：第8阶振型

Experimental modal analysis: eight mode shape
试验模态分析：第8阶振型

然后更改连接，重新建立仿真模型。由于试验数据可用，可以通过Simcenter Heeds自动迭代来改变每个螺栓周围的接触面，以最佳地匹配试验数据。

如结果所示，仿真结果与测试结果之间的频率差异，对于前几阶模态，从50%以上降低到不超过10%。


通过改进连接建模，仿真模态频率与试验模态频率之间的误差显著降低

6 通过实验模态分析 提高模拟的准确性
有时候通过快速的试验测试可以避免很多令人头痛的问题。在这种情况下，试验模态分析提供了简单可靠的结果，来判断是否需要重建有限元模型，重新考虑一些初始假设。测试结果为获得更好的模型准确性所需要达到的目标提供了明确的指导方针。
Simcenter提供了高度集成的解决方案来支持整个过程，确保以最有效的方式执行所有任务，从测试定义到数据收集、数据分析、模型关联和模型更新。
最终结果如何？最初的外壳模型刚度过大，在与其他部分结合预测NVH特性时，会提供错误的结果。将更新的外壳模型与电磁力仿真和齿轮接触建模相结合，可以更好地复现测量数据。这个更准确的模型使我们能够确定在齿轮的微观几何是这个烦恼的单频噪声的来源。