基于仿真技术的振动分析方法研究

马天明 李曙光 姬科科

关键词：振动;仿真技术;舒适性

1 NVH基本概念

NVH是Noise（噪声）、Vibration（振动）、Harshness（声振粗糙度）英文缩写，其中声振粗糙度描述的是人体对噪声、振动主观感觉。众所周知，车辆在正常行驶状态下下，由于道路不平，车轮、发动机、传动系统的旋转等因素激起振动和噪声，不仅影响驾乘人员的舒适性，而且振动还可能会引起车辆其他零部件疲劳失效，对于人员具有潜在的安全隐患。所以，对于NVH研究一直都是热点研究方向。

本文探索了利用仿真分析手段对部件（局部）进行仿真分析，有利于缩短研发周期，减少不必要的浪费，为提高车辆驾乘舒适性提供有益的仿真方法参考。

2 振动技术发展状况

2.1国内外在车辆领域的标准状况

由于车辆行驶时，路面不平，车辆本身各部件激励等因素使得车辆产生振动和噪声，影响驾乘人员的乘坐舒适性。而在上世纪七十年代开始，国际标准组织（ISO）就针对大量人体全身振动研究成果，制定了ISO2631.1：1997《机械振动与冲击 人体暴露于整体振动的评价 第1部分：总体要求》，我国根据该标准制定GB/T 13441.1-2007《机械振动与冲击 人体暴露于整体振动的评价 第1部分：一般要求》与GB/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》，在国内汽车领域得到了一定程度的应用。对于摩托车领域，主要还是参考以上标准，天津内燃机研究所起草了《摩托车和轻便摩托车振动舒适性试验方法》，主要对评价指标、评价方法，试验条件做了定义。

2.2在轨道交通领域的标准状况

由于轨道交通车辆行驶时，轨道不平，机车本身各部件激励等因素使得车辆产生振动，会影响机车车辆设备。国际电工委员会就针对振动研究，制定了IEC 61373-2010《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》，我国根据该标准制定GB/T 21563-2018《轨道交通机车车辆设备 冲击和振动试验》，在国内轨道交通领域得到了一定程度的应用。对于轨道交通振动领域，主要还是参考以上标准，来进行评价与试验。

目前，轨道交通车辆振动改进技术背景。振动改进是NVH主要的技术难点之一。核心技术也主要掌握在少数公司手中。目前，国外主要有LMS、丹麦B&K公司对车辆振动进行深入研究，但是集中在整车振动研究。而国内外对轨道交通机车上所载车辆设备零部件的振动研究很少，比如对行李架灯具的振动研究。

2.2振动评价技术状况

振动性能参数的高低直接影响企业的生存与发展，众多企业对车辆的振动和噪声评价往往只是给出一些主观打分，并没有从综合地角度给出评价结果，甚至没有找出振动与噪声与车辆存在问题的对应关系，缺少深入分析改进措施方法。鉴于此，众多技术人员对NVH方面做了大量的工作，主要有道路与台架两种方式。上海机动车检测中心的李加庆等人，在梳理了摩托车振动舒适性评价相关标准基础上，以加速度传感器、数据采集器、GPS测速仪等仪器为核心，搭建了相应的道路测试平台，以标准沥青跑道开展了实车道路试验;中国嘉陵工业股份有限公司技术中心的龚康等人以底盘振动试验为主要试验方式，根据相关标准确定了主要位置的频率计权，再与主观评价结果相应提出了发动机激励导致的客观振动评价标准限值。建设工业的黄泽好与重庆大学的徐中明通过主观调查和客观评价，探讨了手把处、座位处的客观评价指标和主观感觉之间的关系，提出了摩托车平顺性客观和主观评价方法。

而在轨道交通领域，对振动评价主要影响着舒适性和可靠性。例如我国实施的GB/T 21563-2018《軌道交通机车车辆设备 冲击和振动试验》等标准。该标准包括了安装在轨道机车车辆上的机械、气动、电气和电子设备或部件的冲击和随机振动试验要求。

2.3部件评价技术背景

现阶段，科研人员在对零部件进行结构模态分析。包括灯具、车体、悬挂等进行振动舒评价分析和改进诸多方面探索研究。部件的振动测试方法与评价方法是也是振动测试领域主要的技术难点之一。核心技术也主要掌握在少数公司手中。目前，国内南京航空航天大学振动技术研究所自行设计开发的多通道测试分析系统、重庆大学汽车系在1997 年为长安公司开发的针对汽车动特性的测试分析系统、东方振动和噪声技术研究所通用的模态分析处理系统等，国外主要有LMS、丹麦B&K公司对车辆振动和噪声进行研究。

3 LMS Virtual.Lab 软件振动的仿真分析方法介绍

依托LMS Virtual.Lab软件进行NVH响应分析能预测出某个部件、子系统或者整个系统在工作载荷条件下的振动噪声行为。基于模态和频响函数的快速响应预测求解器能快速地分析多种设计变型。专门的后处理工具可以把实际响应与预设的或引入的目标进行比较，并优化振动噪声性能。

同时，LMS Virtual.Lab NVH响应分析在读取和施加载荷方面提供了最大限度的灵活性。这些载荷可以是多种格式和类型，可来源于测量、多体分析、声学模拟、一般的载荷源。通过结合测量载荷和虚拟模型来进行NVH响应预测，可以获得更真实的模拟结果和更可靠的计算结果。伴随后续高级后处理可以快速研究传递路径，并评价单个系统部件的振动噪声贡献量。

4 部件振动评价方法（仿真方法）

部件对结构传播振动噪声十分重要。各种部件外各种激励引起的结构振动和结构噪声的特性直接表明结构的优劣，好的结构对各支撑点的激励敏感度低，即激励引起的振动和噪声的响应值低。通过对局部结构件进行分析，能够较为方便、便捷的得到响应函数，为后续产品改进、设计优化提供较为可行的措施与方案。

4.1 结构建模

可采用SOLIDWORKS、UG、Pro/E等先进的专业软件实现建模。本文采用机械工业领域具有普遍应用的CATIA建模环境，且CAITA集成在了LMS Virtual.Lab中，具有更好的兼容性。

主要是定义本身结构材料属，并根据实际情况定义流体材料也就是声学材料，即声音在材料中的传播速度和材料的密度。

4.3 进行网格划分

根据分析具体情况，可采用不同的网格划分。需要对结构进行网格划分。并对网格进行必要的定义与前处理检查，确保没有任何错误。

将结构进行必要的约束，以保证其符合实际情况，如图3所示：

将所需施加的载荷加载到结构的上，也就是将激励进行设定，如图4所示，激励定义在部件底部。

当定义完激励后，按照具体情况设定激励与作用点之间的对应关系，可以作用在很多点上，也可作用在部件的特殊部位上，尽量与实际情况相符合，以便增大准确性。如图5所示，当设置部件底部2个作用点时最大振动加速度为0.204m/s2，当设置车厢4个作用点时，最大振动加速度达到了0.438 m/s2.

通过仿真分析，能够对产生的振动原因进行进一步深入探讨，主要有以下几方面的措施：

a）降低振动源的能力;b）提供有效隔离措施;c）对结构进行合理优化;d）安装位置优化等。

当然，在后续研究过程中也可以进一步尝试导入物理试验数据，也可通过结构分析计算相应的振动加速度。使结构网格上的振动速度转移声学网格上，得到振动引起的内声场。通过声场分布计算与场点计算，获取声压分布与场点上的结果，得到场点上的声压频率响应函数。从而在改进工作中，可以尝试实际响应与预设的或引入的目标进行比较，并优化振动噪声性能。

5 小结

本文探索了基于仿真技术的振动仿真的分析方法。未来可以针对理论分析与物理试验相结合做进一步探讨，以便得到精确模型约束条件与试验结果关系做深入研究，从而获得更加可行的有助于改进的意见与措施。同时该研究工作也将有助于为建立健全振动评价方法提供一种参考，也能够系统地为企业提供优质高效的产品性能检测、产品质量评价等方面进行技术服务。

参考文献：

[1]方圆.基于虚拟试验的整车NVH性能分析，同济大学.2007年.

[2]张志飞.摩托车振动舒适性研究，重庆大學.2005年.

[3]景亚兵，等.摩托车NVH技术研究概述，摩托车技术.2005（03）.

[4]李俊鹏，等.摩托车乘骑舒适性评价方法，重庆大学学报（自然科学版），2004（12）.

[5]中国第一汽车集团公司技术中心，GB/T 4970-2009 汽车平顺性试验方法.

[6]北京理工大学，等.GB/T 1344.1-2007.机械振动与冲击人体暴露与全身振动的评价 第一部分：一般要求.

[7]GB/T 21563-2018 轨道交通机车车辆设备 冲击和振动试验.