设计仿真优化：基于MSC Nastran的悬置系统

在开发商用车和乘用车时，为了整车的驾乘舒适性和减少动力系统振动向整车传递现象的发生，必须计算动力总成悬置系统的模态及解耦，以期达到良好的隔振效果和整车舒适性。动力总成悬置系统主要有几个作用：

01

固定和支撑动力总成驱动反力，限制动力总成在各种工况下的位移量，防止与其它部件碰撞。

02

隔振作用，将动力总成的振动尽可能少的传递到车身。悬置系统隔振性能的核心就是解决刚体模态的频率分配和振动耦合问题，简言之就是关注动力总成的刚体模态和解耦率。

03

作为动力吸振器，吸收来自路面的振动激励。

在车辆研发过程初期，传统方法将车身或底盘系统（商用车车架）看作是质量和刚度无限大，从而将整车动力系统总成解耦简化为六个自由度振动刚体和由三个或四个弹性弹簧（BUSH）单元支撑组成的六自由度悬置系统的解耦问题。并利用优化算法，基于数学规划或启发式算法对悬置刚度、安装位置、安装角度等进行优化，保证悬置系统解耦。这种方法简单、快捷。但是，这种方法忽略车身或车架刚度支撑影响，无法准确评估整车详细模型动力系统解耦分布、各个悬置支撑方向的隔振率、车身或车架局部结构设计细节对关键频率的影响等；因此，当开发过程中，当到达整车有限元模型阶段时，需要将悬置系统开发与整车性能评估结合起来，详细评估动力系统总成解耦率、隔振率等。

在计算隔振率时，可以基于单个方向施加单位载荷，计算隔振率或基于动力总成悬置被隔离2端点的振动位移、速度或加速度，利用下面公式，确定悬置系统的隔振率：

其中：a主为主动端加速度；a被为被动端加速度。

NVH对悬置隔振率的要求⼀般为⼤于20dB即为合格，放宽点可以到15dB。

在车身详细开发阶段，为考察悬置布置方案设计对整车怠速、加速振动的影响，采用有限元方法，建立整车结构振动分析模型，用于整车怠速、加速工况振动分析。此模型由白车身、动力系统、转向系统、底盘系统等构成，其中白车身在结合了玻璃、闭合件、集中质量后成为了Trimmed Body；动力总成用刚体简化；轮胎使用弹簧单元简化。利用MSC Nastran SOL111求解器的频响分析功能，进行整车状态下振动分析，输出方向盘、座椅导轨、动力悬置系统主被动测试振动响应，评估基于动力系统工作载荷下，整车响应和悬置隔振率。

整车振动激励输入：

施加发动机气体爆发力、惯性力、惯性力矩在发动机曲轴中心处。载荷可以是基于理论计算或AVL等发动机性能模拟软件，将发动机特性汇总到曲轴中心处。典型载荷如下表：

整车振动激励输出：

方向盘测点、座椅滑轨点、动力悬置系统主、被动点加速度。

基于MSC.Nastran分析过程定义：

考虑悬置系统动刚度与频变阻尼影响，输入如下图：

为了准确评估结果，计算隔振率，减少开发周期，需要完成下列设置：

1、目前，OEM整车NVH模型规模一般都大于2000万自由度，为了缩短计算时间，需要用到自动部件模态综合法计算，设置如下：

2、 在整车系统中，动力总成刚体模态频率、振型的识别与确认相比于简化刚体模型要困难，为了准确识别动力总成刚体模态；同时，确定隔振率、模态频率和振型是否满足设计目标，需要借助MSC Nastran的节点动能和模态有效值质量功能在众多频率中找动力总成刚体模态，并判断其方向。定义如下：

图：模态有效质量输出定义

基于总力总成在整车中占的质量百分比和计算输出的6个方向质量、节点动能分布，能够帮助我们准确识别关键设计指标。

3、为了快速处理输出，计算动力总成系统隔振率，编制主、被动点配置文件，与pch或h5文件一起，python脚本读取二者文件内容，自动计算隔振率曲线，并自动与目标值对比。

对于隔振率低于目标值频率点或潜在危险点，我们需要识别出该频率下整车变形情况，即ODS分析，同时，为了识别出该状态下，动力总成系统、车身等的模态参与和贡献率等，需要定义被动点处隔振率方向上、特定频率点的模态贡献率。

图：ODS输出定义

图：不达标频率点ODS振型

模态贡献率输出定义：

SET 20 = 11217/T3
SET 90 = 72.5
PFMODE(FLUID,STRUCTMP=ALL,FLUIDMP=ALL,SORT=ABSD, SOLUTION=90) = 20

模态贡献率分析结果：

总结

1、基于MSC Nastran整车详细模型，可以在发动机或电机真实载荷激励下，分析动力总成的隔振率，评估整车工作环境下，方向盘、座椅导轨等的振动响应情况；

2、MSC Nastran提供的功能：节点、模态有效质量、ODS、模态贡献率分析等能够帮助开发快速的识别关键模态、位置等设计改进方向，提高产品性能；

3、基于自动部件模态法，可以在短时间内完成千万自由度以上的整车NVH分析，提升了传统动力总成在整车开发中的应用范围，克服了基于简化模型，忽略橡胶频变特性、车身和车架弹性的不足，能够精确评估动力总成悬置动态性能。

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