设计仿真 | 海克斯康助力Autoneum开启 NVH 仿真新时代！

01Autoneum 和海克斯康合作实现共赢

噪声和振动已成为汽车的一个基本考虑因素，原始设备制造商（OEM）正在努力生产外噪声更低的汽车。与此同时，世界正在从传统内燃机（ICE）驱动的汽车转向电动汽车。这两类汽车的噪声特性差别很大。内燃机驱动汽车的主要特点是发动机产生的噪声占主导地位，尤其是在频谱的低频部分，即 500 赫兹左右。内燃机的噪声能够掩盖车辆内部和外部的大多数其他噪声源，如道路噪声和轮胎噪声。电动汽车由基本无声的电机驱动，特别是在低频时。因此，其他噪声源（如上述噪声源）以及风噪声和空调系统噪声变得更加突出。

通常情况下，来自不同部件（如动力总成）的噪声有两种传播途径。噪声可以通过空气传播（空气传播噪声），也可以通过结构振动传播（结构传播噪声）。为了最大限度地减少来自不同传播途径的噪声并提高乘客的舒适度，我们采用了不同的应对方法。这些方法包括对车身进行工程设计以减少振动、使用阻尼垫来减少振动以及采用高性能隔音处理来降低噪声和振动。然而，由于车重是影响能耗的一个重要因素，OEM正致力于在不牺牲降噪和振动性能的情况下减轻部件质量。

电动汽车的结构也与内燃机汽车有很大不同。除了各种可能的电机分布（前轴一个电机、每轴一个电机、车轮安装电机等）外，现在还需要包括一个大而重的电池组。电动汽车并非从零开始设计，但车身设计和性能往往与内燃机汽车有很大不同。为了达到所有目标，OEM大量采用了仿真技术。除此之外，在早期设计阶段进行高精度的噪声、振动和噪声粗糙度（NVH）分析对于实现日益苛刻的目标、减少原型和成本以及加快设计阶段至关重要。

图 1：车辆 NVH 性能评估模型

为了帮助汽车制造商缩短开发流程，尽早有效地减轻汽车噪声和振动，Autoneum 和海克斯康通过合作，发挥各自的优势，使汽车制造商能够受益于 Autoneum 数十年来在量身定制的声学软件包设计方面的经验，以及海克斯康世界一流的仿真能力。此次合作旨在将 Autoneum 用于优化阻尼和吸音材料的验证方法集成到 Actran（业界领先的声学和振动声学仿真软件）中。因此，制造商不仅可以更容易地获得更准确的产品数据：在开发过程的早期对车辆性能进行精确预测，还可以大大缩短设计和交货时间，同时降低降噪材料的成本和重量。

02阻尼垫优化工具

在设计能够最大限度地降低结构传声（噪声在低频中占主导地位）的阻尼包时，必须考虑几个因素。其中最重要的是重量，这将决定在特定频率范围内哪种方案更有效。对于 100 赫兹至 500 赫兹的中低频范围，主要的影响来自于局部阻尼和加固，而当频率超过 500 赫兹时，NVH 内饰的阻抗就会变得更加突出。内饰阻抗对车身面板振动和相应的辐射噪声有重要影响，这是因为它具有传递性，而且在很大程度上取决于内饰的包装空间和内饰重量。

设计低振动车辆的第一步是对白车身进行适当的设计，以达到在动力总成安装点或悬挂点的各种载荷下，减少噪声主要辐射模式和车身内部面板的整体振动。一旦完成这一过程，就需要进一步细化阻尼垫的设计，一般通过使用刚度和阻尼特性随频率和温度变化的材料来表示阻尼垫。目标是确定最佳的位置和阻尼使用量，以尽量减少内部车身面板的振动。

说到电动汽车的声学包设计，许多因素都会影响到解决 NVH 问题的决策。由于市场趋向于跨界 SUV 设计，车辆尾部需要特别注意，因为这种设计的特点是后备箱腔体与主乘客舱相连。由于这种连接方式，来自后轮胎的滚动噪声将得到放大。此外，对于目前和未来的大多数电动汽车来说，电动机位于后轴上，这进一步增加了汽车后部在 NVH 方面的重要性。最后，由于新型电动汽车正在采用更轻质的结构和面板，以应对价格上涨和减少汽车生产的碳足迹，因此可能需要采取新的对策来解决结构噪声问题。

Autoneum 的 NVH 工程设计流程首先基于全频段的传递损失和吸声，设定空气噪声的目标并进行目标分解。然后，设计专用部件以满足这些要求，并确定满足这些要求的最轻材料清单。最后，将符合空气传播噪声要求的选定组合应用于结构传播噪声仿真模型，并进行进一步优化，以提高低频降噪性能。

Autoneum 针对流程的不同部分开发了各种技术，而这些技术应用上的普及正是 Autoneum 与 海克斯康合作的目标。流程的第一部分是应对阻尼包设计（包括定位和优化）的模块，称为 Autoneum SILVER。该工具用于在使用 MSC Nastran 进行有限元模拟的基础上确定阻尼垫的尺寸、形状和理想位置。在MSC Nastran DMAP的帮助下，输出考虑多种载荷条件下对主要振动峰值的贡献。通过专门的后处理，工程师可以在高亮区域定位减振垫。然后可以重新启动 MSC Nastran 以评估新放置的阻尼片所带来的性能改进，工程师可以比较新旧阻尼包，同时考虑减重和 NVH 性能。使用此流程，一家OEM用户的阻尼组件重量减轻了 37%，NVH 性能甚至更好。

虽然这一过程大部分是自动化的，但在这一过程中需要使用不同的软件。海克斯康和 Autoneum 合作，在一个统一的界面中提供所有功能，简化了流程，无需从一个工具跳转到另一个工具。

03流程工业化

Autoneum SILVER 是一个流程或工作流，其中大部分是自动化的，只有少数是人工操作的。Actran 工作流程管理器非常适合将其打包成一个应用程序。Actran 工作流程管理器是 Actran 的新功能，它提供了为垂直应用定制的统一界面。更具体地说，它提供了一个框架，可以集成各种用户界面元素，如用户输入提示、图形和具有网格功能的三维视口，这些都是某些工作流程中进行前处理和后处理所必需的。

Actran 工作流程管理器最初作为 Actran 2021 的一部分与通过噪声工作流程一起出现，后来发展成为一个生态系统。目前已经包含多个工作流程，例如：电机噪声、航天结构声致振动以及用于快速、高频空气噪声预测的基于传输损耗的统计能量分析（基于 TL 的 SEA）的最新工作流程。与 Autoneum 合作开发的新阻尼垫定位工作流程已于 Actran 2022.1版本发布。

工作流程分为不同的选项卡或界面，工程师可以在其中设置阻尼垫的参数。第一步，工程师首先加载 Nastran 模型文件。这一步的目的是提供模型的模态和单元矩阵，这样就可以直接从工作流管理器运行模型来检索这些模态和单元矩阵，或者在有这些模态和单元矩阵的情况下将其导入。之后，工程师需要提供阻尼包的材料参数以及可布置阻尼的车身面板。工作流程的下一步是定义阻尼配置，工程师可以根据裸模型的计算结果，交互式地选择阻尼垫的尺寸和位置。在这一部分，工程师还可以获得原始面板质量以及阻尼包增加质量的信息。选定后，工作流程管理器会在用户界面内快速高效地计算阻尼包的性能。根据原始 MSC Nastran 模型中的可用信息，将阻尼垫作为数值单元参与计算。这降低了模型的复杂性，并大大缩短了求解时间。在计算出阻尼包的性能后，工程师可以直观地查看迁移率（MOBILITY）的包络线和峰值，同时可以查看可布置阻尼面板上的迁移率云图迁移率贡献图是工作流程中最重要的元素，因为它显示了需要阻尼的位置。工程师可以创建多种可能的阻尼配置，并在最后对它们进行快速比较，以找到最佳解决方案。

借助这一工作流程，海克斯康和 Autoneum 正在推广一种独特的解决方案，它可以帮助汽车制造商降低成本，最大限度地缩短开发和迭代时间，并设计出产生最少结构噪声和振动的汽车。

图2 Autoneum SILVER 流程

图 3 Actran 工作流程管理器中的阻尼垫定位工作流程

04下一步行动

将Autoneum SILVER集成到Actran工作流管理器中，仅仅标志着海克斯康和Autoneum合作关系的第一个成功里程碑。团队之间出色的合作和工作关系建立了高度的信任，推动我们进一步创造和整合新的产品和流程，为客户创造价值。

在不久的将来，涉及降噪材料自动定位的流程将被引入，以最小的成本和重量代价获得最优的降噪效果。再往后，新的优化策略（包括材料和结构）将被整合到一起，为低频结构噪声提供完整的解决方案。

最后，此次合作不仅着眼于使现有产品和流程的普及。随着合作的加强和信任的进一步建立，双方将探索新的机会，借助云计算和人工智能等新兴技术，打造革命性的产品。海克斯康和 Autoneum 已迈出了实现这一潜力的第一步，并期待构建下一代 NVH 模拟解决方案，追求 NVH 最佳设计，同时降低成本。

（海克斯康工业软件）

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