設計仿真 | 基于MSC Nastran懸置優化（三）

在開發商用車和乘用車時，為了整車的駕乘舒適性和減少動力系統振動向整車傳遞現象的發生，必須計算動力總成懸置系統的模態及解耦，以期達到良好的隔振效果和整車舒適性。動力總成懸置系統主要有幾個作用：

01

固定和支撐動力總成驅動反力，限制動力總成在各種工況下的位移量，防止與其它部件碰撞。

02

隔振作用，將動力總成的振動盡可能少的傳遞到車身。懸置系統隔振性能的核心就是解決剛體模態的頻率分配和振動耦合問題，簡言之就是關注動力總成的剛體模態和解耦率。

03

作為動力吸振器，吸收來自路面的振動激勵。

在車輛研發過程初期，傳統方法將車身或底盤系統（商用車車架）看作是質量和剛度無限大，從而將整車動力系統總成解耦簡化為六個自由度振動剛體和由三個或四個彈性彈簧（BUSH）單元支撐組成的六自由度懸置系統的解耦問題。并利用優化算法，基于數學規劃或啟發式算法對懸置剛度、安裝位置、安裝角度等進行優化，保證懸置系統解耦。這種方法簡單、快捷。但是，這種方法忽略車身或車架剛度支撐影響，無法準確評估整車詳細模型動力系統解耦分布、各個懸置支撐方向的隔振率、車身或車架局部結構設計細節對關鍵頻率的影響等；因此，當開發過程中，當到達整車有限元模型階段時，需要將懸置系統開發與整車性能評估結合起來，詳細評估動力系統總成解耦率、隔振率等。

在計算隔振率時，可以基于單個方向施加單位載荷，計算隔振率或基于動力總成懸置被隔離2端點的振動位移、速度或加速度，利用下面公式，確定懸置系統的隔振率：

其中：a主為主動端加速度；a被為被動端加速度。

NVH對懸置隔振率的要求?般為?于20dB即為合格，放寬點可以到15dB。

在車身詳細開發階段，為考察懸置布置方案設計對整車怠速、加速振動的影響，采用有限元方法，建立整車結構振動分析模型，用于整車怠速、加速工況振動分析。此模型由白車身、動力系統、轉向系統、底盤系統等構成，其中白車身在結合了玻璃、閉合件、集中質量后成為了Trimmed Body；動力總成用剛體簡化；輪胎使用彈簧單元簡化。利用MSC Nastran SOL111求解器的頻響分析功能，進行整車狀態下振動分析，輸出方向盤、座椅導軌、動力懸置系統主被動測試振動響應，評估基于動力系統工作載荷下，整車響應和懸置隔振率。

整車振動激勵輸入：

施加發動機氣體爆發力、慣性力、慣性力矩在發動機曲軸中心處。載荷可以是基于理論計算或AVL等發動機性能模擬軟件，將發動機特性匯總到曲軸中心處。典型載荷如下表：

整車振動激勵輸出：

方向盤測點、座椅滑軌點、動力懸置系統主、被動點加速度。

基于MSC.Nastran分析過程定義：

考慮懸置系統動剛度與頻變阻尼影響，輸入如下圖：

為了準確評估結果，計算隔振率，減少開發周期，需要完成下列設置：

1、目前，OEM整車NVH模型規模一般都大于2000萬自由度，為了縮短計算時間，需要用到自動部件模態綜合法計算，設置如下：

2、 在整車系統中，動力總成剛體模態頻率、振型的識別與確認相比于簡化剛體模型要困難，為了準確識別動力總成剛體模態；同時，確定隔振率、模態頻率和振型是否滿足設計目標，需要借助MSC Nastran的節點動能和模態有效值質量功能在眾多頻率中找動力總成剛體模態，并判斷其方向。定義如下：

圖：模態有效質量輸出定義

基于總力總成在整車中占的質量百分比和計算輸出的6個方向質量、節點動能分布，能夠幫助我們準確識別關鍵設計指標。

3、為了快速處理輸出，計算動力總成系統隔振率，編制主、被動點配置文件，與pch或h5文件一起，python腳本讀取二者文件內容，自動計算隔振率曲線，并自動與目標值對比。

對于隔振率低于目標值頻率點或潛在危險點，我們需要識別出該頻率下整車變形情況，即ODS分析，同時，為了識別出該狀態下，動力總成系統、車身等的模態參與和貢獻率等，需要定義被動點處隔振率方向上、特定頻率點的模態貢獻率。

圖：ODS輸出定義

圖：不達標頻率點ODS振型

模態貢獻率輸出定義：

SET 20 = 11217/T3

SET 90 = 72.5

PFMODE(FLUID,STRUCTMP=ALL,FLUIDMP=ALL,SORT=ABSD, SOLUTION=90) = 20

模態貢獻率分析結果：

總結

1、基于MSC Nastran整車詳細模型，可以在發動機或電機真實載荷激勵下，分析動力總成的隔振率，評估整車工作環境下，方向盤、座椅導軌等的振動響應情況；

2、MSC Nastran提供的功能：節點、模態有效質量、ODS、模態貢獻率分析等能夠幫助開發快速的識別關鍵模態、位置等設計改進方向，提高產品性能；

3、基于自動部件模態法，可以在短時間內完成千萬自由度以上的整車NVH分析，提升了傳統動力總成在整車開發中的應用范圍，克服了基于簡化模型，忽略橡膠頻變特性、車身和車架彈性的不足，能夠精確評估動力總成懸置動態性能。