基于仿真技術的振動分析方法研究

馬天明 李曙光 姬科科

關鍵詞：振動;仿真技術;舒適性

1 NVH基本概念

NVH是Noise（噪聲）、Vibration（振動）、Harshness（聲振粗糙度）英文縮寫，其中聲振粗糙度描述的是人體對噪聲、振動主觀感覺。眾所周知，車輛在正常行駛狀態下下，由于道路不平，車輪、發動機、傳動系統的旋轉等因素激起振動和噪聲，不僅影響駕乘人員的舒適性，而且振動還可能會引起車輛其他零部件疲勞失效，對于人員具有潛在的安全隱患。所以，對于NVH研究一直都是熱點研究方向。

本文探索了利用仿真分析手段對部件（局部）進行仿真分析，有利于縮短研發周期，減少不必要的浪費，為提高車輛駕乘舒適性提供有益的仿真方法參考。

2 振動技術發展狀況

2.1國內外在車輛領域的標準狀況

由于車輛行駛時，路面不平，車輛本身各部件激勵等因素使得車輛產生振動和噪聲，影響駕乘人員的乘坐舒適性。而在上世紀七十年代開始，國際標準組織（ISO）就針對大量人體全身振動研究成果，制定了ISO2631.1：1997《機械振動與沖擊 人體暴露于整體振動的評價 第1部分：總體要求》，我國根據該標準制定GB/T 13441.1-2007《機械振動與沖擊 人體暴露于整體振動的評價 第1部分：一般要求》與GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》，在國內汽車領域得到了一定程度的應用。對于摩托車領域，主要還是參考以上標準，天津內燃機研究所起草了《摩托車和輕便摩托車振動舒適性試驗方法》，主要對評價指標、評價方法，試驗條件做了定義。

2.2在軌道交通領域的標準狀況

由于軌道交通車輛行駛時，軌道不平，機車本身各部件激勵等因素使得車輛產生振動，會影響機車車輛設備。國際電工委員會就針對振動研究，制定了IEC 61373-2010《軌道交通 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》，我國根據該標準制定GB/T 21563-2018《軌道交通機車車輛設備 沖擊和振動試驗》，在國內軌道交通領域得到了一定程度的應用。對于軌道交通振動領域，主要還是參考以上標準，來進行評價與試驗。

目前，軌道交通車輛振動改進技術背景。振動改進是NVH主要的技術難點之一。核心技術也主要掌握在少數公司手中。目前，國外主要有LMS、丹麥B&K公司對車輛振動進行深入研究，但是集中在整車振動研究。而國內外對軌道交通機車上所載車輛設備零部件的振動研究很少，比如對行李架燈具的振動研究。

2.2振動評價技術狀況

振動性能參數的高低直接影響企業的生存與發展，眾多企業對車輛的振動和噪聲評價往往只是給出一些主觀打分，并沒有從綜合地角度給出評價結果，甚至沒有找出振動與噪聲與車輛存在問題的對應關系，缺少深入分析改進措施方法。鑒于此，眾多技術人員對NVH方面做了大量的工作，主要有道路與臺架兩種方式。上海機動車檢測中心的李加慶等人，在梳理了摩托車振動舒適性評價相關標準基礎上，以加速度傳感器、數據采集器、GPS測速儀等儀器為核心，搭建了相應的道路測試平臺，以標準瀝青跑道開展了實車道路試驗;中國嘉陵工業股份有限公司技術中心的龔康等人以底盤振動試驗為主要試驗方式，根據相關標準確定了主要位置的頻率計權，再與主觀評價結果相應提出了發動機激勵導致的客觀振動評價標準限值。建設工業的黃澤好與重慶大學的徐中明通過主觀調查和客觀評價，探討了手把處、座位處的客觀評價指標和主觀感覺之間的關系，提出了摩托車平順性客觀和主觀評價方法。

而在軌道交通領域，對振動評價主要影響著舒適性和可靠性。例如我國實施的GB/T 21563-2018《軌道交通機車車輛設備 沖擊和振動試驗》等標準。該標準包括了安裝在軌道機車車輛上的機械、氣動、電氣和電子設備或部件的沖擊和隨機振動試驗要求。

2.3部件評價技術背景

現階段，科研人員在對零部件進行結構模態分析。包括燈具、車體、懸掛等進行振動舒評價分析和改進諸多方面探索研究。部件的振動測試方法與評價方法是也是振動測試領域主要的技術難點之一。核心技術也主要掌握在少數公司手中。目前，國內南京航空航天大學振動技術研究所自行設計開發的多通道測試分析系統、重慶大學汽車系在1997 年為長安公司開發的針對汽車動特性的測試分析系統、東方振動和噪聲技術研究所通用的模態分析處理系統等，國外主要有LMS、丹麥B&K公司對車輛振動和噪聲進行研究。

3 LMS Virtual.Lab 軟件振動的仿真分析方法介紹

依托LMS Virtual.Lab軟件進行NVH響應分析能預測出某個部件、子系統或者整個系統在工作載荷條件下的振動噪聲行為。基于模態和頻響函數的快速響應預測求解器能快速地分析多種設計變型。專門的后處理工具可以把實際響應與預設的或引入的目標進行比較，并優化振動噪聲性能。

同時，LMS Virtual.Lab NVH響應分析在讀取和施加載荷方面提供了最大限度的靈活性。這些載荷可以是多種格式和類型，可來源于測量、多體分析、聲學模擬、一般的載荷源。通過結合測量載荷和虛擬模型來進行NVH響應預測，可以獲得更真實的模擬結果和更可靠的計算結果。伴隨后續高級后處理可以快速研究傳遞路徑，并評價單個系統部件的振動噪聲貢獻量。

4 部件振動評價方法（仿真方法）

部件對結構傳播振動噪聲十分重要。各種部件外各種激勵引起的結構振動和結構噪聲的特性直接表明結構的優劣，好的結構對各支撐點的激勵敏感度低，即激勵引起的振動和噪聲的響應值低。通過對局部結構件進行分析，能夠較為方便、便捷的得到響應函數，為后續產品改進、設計優化提供較為可行的措施與方案。

4.1 結構建模

可采用SOLIDWORKS、UG、Pro/E等先進的專業軟件實現建模。本文采用機械工業領域具有普遍應用的CATIA建模環境，且CAITA集成在了LMS Virtual.Lab中，具有更好的兼容性。

主要是定義本身結構材料屬，并根據實際情況定義流體材料也就是聲學材料，即聲音在材料中的傳播速度和材料的密度。

4.3 進行網格劃分

根據分析具體情況，可采用不同的網格劃分。需要對結構進行網格劃分。并對網格進行必要的定義與前處理檢查，確保沒有任何錯誤。

將結構進行必要的約束，以保證其符合實際情況，如圖3所示：

將所需施加的載荷加載到結構的上，也就是將激勵進行設定，如圖4所示，激勵定義在部件底部。

當定義完激勵后，按照具體情況設定激勵與作用點之間的對應關系，可以作用在很多點上，也可作用在部件的特殊部位上，盡量與實際情況相符合，以便增大準確性。如圖5所示，當設置部件底部2個作用點時最大振動加速度為0.204m/s2，當設置車廂4個作用點時，最大振動加速度達到了0.438 m/s2.

通過仿真分析，能夠對產生的振動原因進行進一步深入探討，主要有以下幾方面的措施：

a）降低振動源的能力;b）提供有效隔離措施;c）對結構進行合理優化;d）安裝位置優化等。

當然，在后續研究過程中也可以進一步嘗試導入物理試驗數據，也可通過結構分析計算相應的振動加速度。使結構網格上的振動速度轉移聲學網格上，得到振動引起的內聲場。通過聲場分布計算與場點計算，獲取聲壓分布與場點上的結果，得到場點上的聲壓頻率響應函數。從而在改進工作中，可以嘗試實際響應與預設的或引入的目標進行比較，并優化振動噪聲性能。

5 小結

本文探索了基于仿真技術的振動仿真的分析方法。未來可以針對理論分析與物理試驗相結合做進一步探討，以便得到精確模型約束條件與試驗結果關系做深入研究，從而獲得更加可行的有助于改進的意見與措施。同時該研究工作也將有助于為建立健全振動評價方法提供一種參考，也能夠系統地為企業提供優質高效的產品性能檢測、產品質量評價等方面進行技術服務。

參考文獻：

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[7]GB/T 21563-2018 軌道交通機車車輛設備 沖擊和振動試驗.