CN113919189B - 一种基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法，建立一个基于虚拟样本数据库的路噪敏感频段提取与噪声正态分布拟合相结合的随机振动路噪分析方法，克服了基于物理轮胎模型开展整车虚拟路面路噪仿真时无法评估轮胎参数不确定性带来的噪声计算结果曲线偏差，以及无法保证虚拟路面技术在整车开发前期对NVH性能预测结果的有效性等问题。

Description

一种基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法

技术领域

本发明属于汽车NVH仿真技术领域，尤其是涉及一种基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法

背景技术

随着汽车行业的持续发展，NVH性能已成为用户对汽车乘坐舒适性和产品满意度评价的重要指标。路噪NVH问题是由于轮胎受路面不平度激励，传递到乘员舱内部的噪声。路面不平度激励引起的车身振动不可避免，以车身板件为主产生的振动噪声在低、中频范围内，为用户容易感知的频率段。对于新能源汽车，由于没有发动机激励噪声的存在，路噪对于整车噪声级的贡献更为凸显。

采用基于物理轮胎模型的整车虚拟路面路噪仿真技术可以在开发前期数据阶段迅速排查设计车型的典型噪声问题并找到优化方向，减少样件制造以及样车测试轮次，节约研发成本提升开发效率。然而由于轮胎产品的一致性问题、模型误差等原因造成物理轮胎建模时反求的参数具有不确定性，而虚拟路面路噪仿真技术具有强轮胎参数敏感性。因此，轮胎模型参数的不确定性会导致采用建立的轮胎模型通过一次性计算得到的确定性整车噪声曲线在局部频段与实际情况不匹配，甚至出现计算奇异值，仿真结果无法从整体上有效描述整车实际的路噪响应情况，这也是制约虚拟路面路噪仿真技术大规模推广应用的原因。

发明内容

有鉴于此，针对物理轮胎模型参数的不确定性问题，建立一个基于虚拟样本数据库的路噪敏感频段提取与噪声正态分布拟合相结合的随机振动路噪分析方法，对于整车路噪NVH的高可靠性预测具有重要指导意义。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法，包括以下步骤：

S1、构建物理轮胎模型；

S2、搭建整车路噪仿真环境；

S3、对构建的物理轮胎模型扰动处理；

S4、提取路噪敏感频段；

S5、筛选敏感轮胎参数，筛选出敏感频段轮胎模型所对应的关键物理参数；

S6、基于敏感频段和敏感轮胎参数，建立轮胎参数设计变量与对应的敏感频段内每个频率下噪声值之间的代理模型；

S7、随机抽取多组敏感轮胎参数相关的样本，基于代理模型计算各样本的敏感频段内每个频率下的噪声值；

S8、以步骤S7随机采集的样本中每组的平均噪声值作为参考分别对各敏感频率下的噪声分布进行正态分布拟合,得到敏感频段的最终仿真结果。

进一步的，步骤S1的具体方法如下：

选定型号后进行轮胎的静态、稳态及动态力学性能测试，将测试数据导入参数辨识软件，基于仿真与测试曲线对比反求轮胎参数，构造真实3D非线性物理轮胎模型。

进一步的，步骤S2的具体方法如下：

建立整车声固耦合仿真模型，线性化3D物理轮胎模型并与整车模型进行装配，输入真实NVH路面PSD，定义仿真工况，计算获取测点全频段噪声值。

进一步的，步骤S3的具体方法如下：

分别对初始轮胎模型中关键物理参数进行一个数值扰动，通过整车仿真获取测点全频段噪声值。

进一步的，步骤S4的具体方法如下：

获取各参数扰动轮胎模型与初始轮胎模型对应的全频段噪声差值曲线,通过聚类分析方法得到噪声差值的敏感频段。

进一步的，步骤S5的具体方法如下：

定义敏感频段内的噪声RMS值为输出响应，计算轮胎模型各关键物理参数的输出响应贡献量，选取贡献量大的若干参数作为设计变量。

进一步的，在执行步骤S6之前，还需要进行试验设计的采样工作，具体方法如下：

定义敏感轮胎参数设计域，基于试验设计方法抽取基础样本池与测试样本池，通过整车仿真获取各样本测点全频段噪声值，提取对应的敏感频段内每个频率下的噪声值。

进一步的，步骤S6中建立代理模型后，还需要，基于测试样本选取各敏感频率噪声值预测精度最高的代理模型。

进一步的，在步骤S7中执行随机抽样的过程如下：

采用随机方式在敏感轮胎参数设计域中单组抽取30个样本，共完成100组的采样试验。

进一步的，以各基础样本对应的非敏感频段各频率下的噪声均值作为非敏感频段的最终仿真结果。

相对于现有技术，本发明所述的基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法具有以下优势：

本发明所述的基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法基于搭建的整车虚拟路面路噪仿真环境，通过路噪敏感频段提取与噪声正态分布拟合，获取包含概率统计信息的全频段噪声仿真结果曲线，可以有效解决轮胎参数不确定性带来的虚拟路面路噪仿真结果偏差范围大、无法保证仿真结果的高可靠性等问题，为整车产品的NVH优化与轮胎选型提供科学依据；本发明对使用者的工程经验要求较低，在一定程度上节约人力资源成本，降低研发费用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本实施例以某SUV路噪仿真为示例，对本发明的技术方案作进一步说明，具体包括以下步骤：

步骤一：开展某SUV装配轮胎的质量惯量、截面几何、静动态径向刚度、纵向刚度、侧向刚度、静态扭转刚度、侧向滑移、纵向滑移、凸块冲击及等测试，将测试数据导入到CDTire/PI轮胎建模软件，输入轮胎基本信息建立截面几何模型后，通过仿真曲线与试验曲线的误差及趋势对比进行轮胎参数辨识，输出后缀为CDT50的CDTire/3D非线性物理轮胎模型。

步骤二：在Hyperworks软件的Optistruct求解器下建立某SUV整车各子总成有限元模型。切换至软件的NVHD模块，通过CBUSH单元将各子总成柔性连接在一起，基于内饰车身生成声腔模型。在Tire manager界面下设定轮辋惯量、胎压、轮荷、轮胎接地面积以及车速后进行CDTire/3D轮胎模型线性化。在PSD Catalog界面下输入粗糙沥青路面高程信息后，计算各车轮接地路面自功率谱、互功率谱。定义驾驶员外耳处声压级为噪声响应。在Analysis Manager界面下确定整车仿真状态，建立分析作业，完成整车路噪仿真环境搭建，获取初始全频段路噪仿真结果。

步骤三：分别在CDT50轮胎模型文件中的胎冠质量、胎圈质量、胎侧质量、橡胶剪切刚度与阻尼系数、橡胶对角刚度与阻尼系数、橡胶侧向刚度与阻尼系数、橡胶周向刚度与阻尼系数、胎体刚度与阻尼系数、盖层刚度与阻尼系数、金属带束层刚度与阻尼系数、X向弯曲刚度与阻尼系数、Y向弯曲刚度与阻尼系数、对角线上弯曲刚度与阻尼系数、胎冠径向刚度、胎冠侧向剪切刚度、胎冠周向剪切刚度等物理参数初始值的基础上增加20％，得到对应的数值扰动后的CDTire/3D模型，导入至整车路噪仿真环境中运行求解获取相应路噪计算结果，生成扰动轮胎模型样本数据库。

步骤四：计算获取各参数扰动CDTire/3D轮胎模型与初始CDTire/3D轮胎模型对应的整车全频段噪声差值曲线，对各差值曲线进行归一化处理。采用模糊C均值聚类方法沿各归一化差值曲线纵坐标轴(声压级轴)进行数据聚类化处理，基于聚类结果对曲线进行分段，在每段内取归一化声压级的RMS值实现数据简化。通过式(1)对所有扰动CDTire/3D轮胎模型样本对应的聚类化差值曲线进行累积化处理：

式中，与f_t分别代表第l个扰动轮胎模型样本对应的聚类化差值曲线及累积化差值曲线在t频率下的声压级值，m为样本数量。再次采用模糊C均值聚类方法沿横坐标轴(频率轴)对累积化差值曲线数据进行聚类化处理。最后，将二次累积化曲线上的声压级RMS值作为阈值。如果经上步聚类化处理后得到的某频段声压级RMS值不小于阈值，则将该频段提取出来作为敏感频段。

步骤五：基于式(2)计算步骤三中各轮胎物理参数的噪声灵敏度，

式中，f^l为第l个轮胎模型参数的噪声灵敏度，为第l个扰动CDTire/3D模型相应路噪仿真结果在各敏感频段噪声RMS值的均值，为初始CDTire/3D模型相应路噪仿真结果在各敏感频段噪声RMS值的均值。选择噪声灵敏度高的若干参数作为设计变量。

步骤六：基于实际公差定义各轮胎参数设计变量的上下限，在HyperStudy软件的DOE模块中选择拉丁超立方试验设计方法在轮胎参数设计域中抽取基础轮胎模型样本与测试轮胎模型样本，并导入至整车路噪仿真环境中运行求解获取相应噪声仿真曲线，提取敏感频段内每个频率下的噪声值，生成基础轮胎模型样本数据库与测试轮胎模型样本数据库。

步骤七：基于基础轮胎模型样本数据库采用多项式响应面拟合方法，径向基函数、Kriging插值方法建立轮胎参数设计变量与对应的整车敏感频段内每个频率下噪声值之间的代理模型，通过对测试轮胎模型样本敏感频率下的噪声值进行预测，基于式(3)选取R值最高的拟合/插值方法作为各敏感频率噪声值预测代理模型。

R＝(R²-RAAE-RMAE)/3

式中，f(x)为测试轮胎模型样本x在某敏感频率下的噪声仿真值，则为对应的代理模型预测值，而为q个测试样本在某敏感频率下噪声仿真值的平均值。

步骤八：基于蒙特卡罗模拟方法在轮胎参数设计域中单组随机抽取30个样本，共完成100组的采样试验，基于步骤七建立的代理模型计算各组试验中全部样本所有敏感频率下的噪声值。

步骤九：统计步骤八每组试验中各敏感频率下的平均噪声值及其出现频次，制作频率直方图，通过式(4)、式(5)统计各敏感频率下100组随机采样的噪声期望μ与标准差σ，

式中，上角标s为第s个敏感频率。采用Origin软件对频率直方图进行正态分布拟合，得到各敏感频率下的噪声概率密度函数h(y)与分布函数H(y)分别如式(6)、式(7)所示。

步骤十：计算获取步骤六中各基础轮胎模型样本非敏感频率下的噪声均值，基于式(7)结合查表获取各敏感频率90％置信水平下的噪声值，两者相结合得到最终整车路噪全频段仿真曲线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建物理轮胎模型；

S2、搭建整车路噪仿真环境；

S3、对构建的物理轮胎模型扰动处理；

S4、提取路噪敏感频段；

计算获取各参数扰动CDTire/3D轮胎模型与初始CDTire/3D轮胎模型对应的整车全频段噪声差值曲线，对各差值曲线进行归一化处理；采用模糊C均值聚类方法沿各归一化差值曲线纵坐标轴进行数据聚类化处理，基于聚类结果对曲线进行分段，在每段内取归一化声压级的RMS值实现数据简化；通过式(1)对所有扰动CDTire/3D轮胎模型样本对应的聚类化差值曲线进行累积化处理：

式中，与f_t分别代表第1个扰动轮胎模型样本对应的聚类化差值曲线及累积化差值曲线在t频率下的声压级值，m为样本数量；再次采用模糊C均值聚类方法沿横坐标轴对累积化差值曲线数据进行聚类化处理；最后，将二次累积化曲线上的声压级RMS值作为阈值；如果经上步聚类化处理后得到的某频段声压级RMS值不小于阈值，则将该频段提取出来作为敏感频段；

S5、筛选敏感轮胎参数，筛选出敏感频段轮胎模型所对应的关键物理参数；

基于式(2)计算步骤S5中各轮胎物理参数的噪声灵敏度，

式中，S^l为第1个轮胎模型参数的噪声灵敏度，为第1个扰动CDTire/3D模型相应路噪仿真结果在各敏感频段噪声RMS值的均值，为初始CDTire/3D模型相应路噪仿真结果在各敏感频段噪声RMS值的均值,选择噪声灵敏度高的若干参数作为设计变量；

基于实际公差定义各轮胎参数设计变量的上下限，在HyperStudy软件的DOE模块中选择拉丁超立方试验设计方法在轮胎参数设计域中抽取基础轮胎模型样本与测试轮胎模型样本，并导入至整车路噪仿真环境中运行求解获取相应噪声仿真曲线，提取敏感频段内每个频率下的噪声值，生成基础轮胎模型样本数据库与测试轮胎模型样本数据库；

S6、基于敏感频段和敏感轮胎参数，建立轮胎参数设计变量与对应的敏感频段内每个频率下噪声值之间的代理模型；

S7、随机抽取多组敏感轮胎参数相关的样本，基于代理模型计算各样本的敏感频段内每个频率下的噪声值；

S8、以步骤S7随机采集的样本中每组的平均噪声值作为参考分别对各敏感频率下的噪声分布进行正态分布拟合,得到敏感频段的最终仿真结果；

统计每组试验中各敏感频率下的平均噪声值及其出现频次，制作频率直方图，统计各敏感频率下100组随机采样的噪声期望μ^s与标准差σ^s；

采用Origin软件对频率直方图进行正态分布拟合，得到各敏感频率下的噪声概率密度函数h^s(y)与分布函数H^s(y)分别如式(6)、式(7)所示；

计算获取各基础轮胎模型样本非敏感频率下的噪声均值，基于式(7)结合查表获取各敏感频率90％置信水平下的噪声值，两者相结合得到最终整车路噪全频段仿真曲线。

2.根据权利要求1所述的基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法，其特征在于，步骤S1的具体方法如下：

选定型号后进行轮胎的静态、稳态及动态力学性能测试，将测试数据导入参数辨识软件，基于仿真与测试曲线对比反求轮胎参数，构造真实3D非线性物理轮胎模型。

3.根据权利要求1所述的基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法，其特征在于，步骤S2的具体方法如下：

建立整车声固耦合仿真模型，线性化3D物理轮胎模型并与整车模型进行装配，输入真实NVH路面PSD，定义仿真工况，计算获取测点全频段噪声值。

4.根据权利要求1所述的基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法，其特征在于，步骤S3的具体方法如下：

分别对初始轮胎模型中关键物理参数进行一个数值扰动，通过整车仿真获取测点全频段噪声值。

5.根据权利要求1所述的基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法，其特征在于，在执行步骤S6之前，还需要进行试验设计的采样工作，具体方法如下：

定义敏感轮胎参数设计域，基于试验设计方法抽取基础样本池与测试样本池，通过整车仿真获取各样本测点全频段噪声值，提取对应的敏感频段内每个频率下的噪声值。

6.根据权利要求5所述的基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法，其特征在于，步骤S6中建立代理模型后，还需要，基于测试样本选取各敏感频率噪声值预测精度最高的代理模型。

7.根据权利要求6所述的基于物理轮胎模型的整车路噪分析方法，其特征在于，在步骤S7中执行随机抽样的过程如下：

采用随机方式在敏感轮胎参数设计域中单组抽取30个样本，共完成100组的采样试验。