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福特汽车公司已经开始使用新的仿真方法用以提高其更精确、高效地预测动力总成NVH品质的能力。目前对整个动力系统NVH仿真由有限元法得出的结果通常不够准确，或者还需作进一步的建模工作和超越现实的处理能力。福特和LMS共同研究的混合仿真新方法可以将试验得到的动力学模型和完整的有限元模型相结合用以建立更大的完整的动力系统混合模型。试验建模大大地加速了仿真过程，同时也更易于与更复杂的样件集成或再利用已有样件。动力系统模型的混合仿真可以大大提高在设计早期NVH预测的精确度，并推动在福特动力系统开发部门建立新的功能与品质标准。 （图片） 福特动力总成系统工程师通常采用有限元分析法或试验模态分析法对动力总成系统部件的NVH特性进行优化。一方面，有限元分析的优点在于不需要实物原型，实物原型通常在早期设计阶段很难得到；并且有限元模型可以很容易进行改动用以评价设计修改的影响。另一方面，为获得精确的结果，有限元分析通常需要建立完整的动力总成系统模型。但是建立这样一个巨大而又细致的模型用以捕捉整个动力总成系统的NVH特性是不可能的。通常需要简化模型，但精度就会受各种假设的影响。
另一种评价NVH特性的方法就是刚才提到的试验模态分析法，在这个方法中，结构被激励，然后用测得的响应确定其动力学特性。基于试验建模可以避免繁琐的有限元建模过程，同时，由于它直接反映了实际情况，可提供比有限元分析更可靠的结果。这种方法最适用于在早期设计中改动较少或无需改动的部件，其它部件通常要在更晚的阶段才会有实物原型用于试验。
提供试验模态分析经验
福特曾提出设想，将有限元和试验这两种方法的优点相结合，即将有限元模型和试验结果整合到单一的混合模型中，进而预测动力总成的NVH特性。他们选择了LMS国际公司位于美国密歇根州底特律的分公司作为其合作伙伴。福特之所以做出此种选择的原因是由于LMS公司在建立基于试验的模型，并将试验模型与传统的有限元模型相结合，进而模拟复杂总成系统等方面具有丰富的经验。福特动力总成NVH研究与开发工程部主管Mario Felice表示："福特工程师感到在分析模型和实物试验间可以进行灵活地选择有可能大大改进早期设计阶段NVH预测的速度和精度。同时这样也避免了在开发过程末期许多额外的实物原型制造和试验工作，可以获得巨大的回报。为了验证这种新方法，我们要求LMS工程服务部门创建一个混合总成模型，在这一模型中包括一个现有的发动机组有限元模型，以及源于试验的汽缸上部模型。这个工程项目成功与否将由混合模型预测出的实际发动机总成动力学特性的精度来决定。"LMS公司还通过指导试验计划来帮助福特进行发动机相关基准试验，试验计划还引进了专为混合模型数据采集开发的数据质量保证工具及提高试验效率的技术。
将试验模型与有限元模型进行精确耦合
项目刚刚开始，福特工程师将福特4.6升、V8发动机组的有限元模型和两个汽缸上部的实物模型提供给LMS咨询工程师。创建混合总成模型需要确定总成中每个部件的特性。要创建基于试验的汽缸上部模型就要从测量自由-自由悬置条件下的一组频响函数开始。生成混合系统综合的准确模型就需要捕捉刚体模态、连接点的局部模态，以及所关心频率范围的整体动力学特性。通过测得的频响函数组，LMS咨询工程师建立了汽缸上部完整的模态模型，包括用以描述连接点局部模态的刚体/低频、弹性模态和高频剩余模态。
为了将基于试验的汽缸上部模态模型和发动机组的有限元模型进行耦合，LMS Virtual.Lab提供了三种耦合方式，以建立刚性、柔性和随频率变化的连接。基于频响函数的子结构综合技术（FBS）是以部件的频响函数为基础的；而模态综合技术是基于不同部件的单个模态；第三种方法被称为有限元-有限元综合法，这种综合方法是LMS Virtual.Lab自动将基于试验的模态模型转换为动力学特性相当的有限元模型后，通过有限元求解器来完成的。LMS Virtual.Lab通过其集成环境和强大的综合功能，可以独立地进行基于频响函数的子结构综合（FBS）以及自动进行有限元-有限元综合。LMS咨询工程师评价了这三种方法，就福特的这一项目，主要关注于模态综合技术。综合的弹簧单元最初是通过采用从先前混合模型导出的弹簧刚度值来进行建模的。从这点来看，模型已经显示出可以与整个总成的物理试验结果相匹配。随着弹簧刚度值和验证的有限元模型进一步得到优化，相关性程度也得到了进一步提高。（图片）
To develop a new approach for powertrain NVH simulations, Ford and LMS started from the FE model of a cilinder block. （图片）
Engineers coupled an experimental cylinder head model with the cilinder block FE model to form a hybrid simulation model. （图片）
The vibration simulation results of the hybrid test-analysis model show an acceptable match with the results of physical tests. 扩展混合仿真模型
随着最初的项目获得成功，LMS咨询工程师对模型进行了扩展，增加了包括集油盘（油底壳）、凸轮轴外罩和变速器等未包括在初始模型内的所有其它静态发动机部件模型。下一步就是通过集成输入力的位置进一步扩展模型，输入力的位置用于发动机部件强迫响应的评价。然后采用声学传递向量（ATV）法可以增加声学辐射计算，ATV法可以更快速地进行发动机整个转速范围的噪声级预测。"这项研究表明我们可以达到在设计过程早期准确有效地预测整个发动机和变速箱NVH特性的最终目标。"Felice说，"这个模型的部件，在样件存在时是基于试验结果；当样件不存在或者需要迭代时则基于有限元模型。试验数据与CAE建模相结合可以比纯粹使用传统的有限元模型法更快速，更准确。在设计早期，了解了动力总成系统的NVH特性，使我们可以决定为达到系统目标应如何优化部件设计。因此，我们可以尽早评价和改进设计，缩短所需的开发时间以达到我们的目标。"
5/5/2010
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