一种电驱一体化NVH仿真建模方法与流程

一种电驱一体化nvh仿真建模方法
技术领域
1.本发明涉及电驱系统仿真技术领域，具体涉及一种电驱一体化nvh仿真建模方法。


背景技术：

2.与传统的驱动方式相比，电驱动系统以消耗电能达到驱动系统运动或工作的目的，目前该类型的驱动方式已经广泛的应用于工业领域，例如家用空调系统的电动压缩机、电动车、小型无人机等。当然，在一些重型工业中，电驱动的方式也同样存在，例如电力机车、风电、潜艇推进系统等领域。由此可见，电驱动的应用领域越来越广，其使用产品也越来越大，可以预见在不久的将来，我们日常所见的驱动方式将主要以电驱动为主。
3.nvh(噪声、振动与声振粗糙度)是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的，车辆的nvh问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和车辆的nvh问题有关系，而各大公司有近20％的研发费用消耗在解决车辆的nvh问题上。
4.电驱系统正在向着一体化方向发展，集成电机、减速器、逆变器为一体，而目前的电驱系统nvh仿真方法，往往针对单独电机、减速器进行建模和分析，单体的nvh仿真方法无法考虑电机和减速器的耦合影响导致的nvh噪声问题，仿真效率低，因此难以满足项目开发需求。
5.例如，《机电工程》杂志第37卷第6期(公开日2020年6月30日)中刊登的论文《多源激励下电机-减速器一体化系统nvh的研究》中提出了一种综合考虑电机-减速器总成系统的建模方法，并针对该模型进行了模态分析；根据实际需求设计了电机-减速器的基本参数，分析了使得电机与减速器振动与噪声的主要激励源；然后针对电磁激励与机械激励，对电机-减速器系统的影响进行了振动与噪声分析；最后进行了多源激励作用下，动力总成振动与噪声特性的仿真与实验验证。但该论文并未对具体的建模方法进行描述，且模型中不包含电机转子、减速器轴齿等内部结构，未能建立完整的仿真模型。
6.吉林大学博士学位论文《电驱动系统减速器刚柔耦合动力学建模及振动噪声优化》(公开日2020年12月1日)中介绍了电驱动系统振动噪声建模、仿真、分析到优化的工作流程，开展了混合有限元与解析理论的斜齿轮承载接触快速分析研究、面向齿轮修形的多目标优化及三维修形特性分析、高速电驱动系统刚柔耦合建模及动力学特性分析、电驱动系统振动噪声分析及优化研究。但该论文中噪声的分析方法选择了简化的表面振动速度法，无法得到噪声声场的结果，仅是由辐射声功率转化得到的平均声压结果，无法和实际噪声结果进行对比。
7.综上所述，现有技术中对电驱一体化nvh仿真建模的研究较少，且难以得到更精确的辐射声场结果，计算精度不高。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术的仿真方法无法考虑电机和减速器的耦合影响、仿真效率低，
结果不够精确的问题，本发明提出了一种电驱一体化nvh仿真建模方法。
9.本发明提供的电驱一体化nvh仿真建模方法具体包括以下步骤：
10.步骤1.对电驱系统的部件分别进行详细的有限元建模；
11.步骤2.对悬置支架使用弹性单元进行约束，根据实际悬置刚度参数设置弹性单元x轴、y轴和z轴三个方向的弹性模量，对建立的限元模型进行装配，建立电驱动总成结构有限元模型；
12.步骤3.简化电驱动总成结构有限元模型，粗化模型的网格尺寸；
13.步骤4.对粗化后的网格尺寸进行校正，获得合适精度的粗化网格；
14.步骤5.将合适精度的粗化网格对电驱模型进行包络，进一步建立声学有限元模型；
15.步骤6.电驱模型包络的同时获取电机与减速器激励，激励加载到相应的电驱有限元模型；
16.步骤7.根据iso 3744-2010标准或实际测试点位置在模型中设置声学场点，完成模型的建立。
17.优选地，步骤1所述的电驱系统的部件包括电机、减速器、逆变器和悬置支架。
18.优选地，所述电机包括电机的定子、转子和壳体，所述减速器包括减速器壳体和减速器轴齿结构，所述逆变器包括逆变器壳体及其内部结构。
19.优选地，步骤3中所述的粗化模型的网格尺寸，其粗化后的尺寸设置为13-17mm。
20.优选地，步骤3中所述的粗化模型的网格尺寸，其粗化后的尺寸设置为15mm。
21.优选地，步骤4所述的校正的方法为：对网格粗化前后模型的模态频率值进行对比，若模态频率值的差异超过1％，则逐步减小粗化的网格尺寸并校验，若模态频率值的差异低于1％，则校正完毕。
22.优选地，所述逐步减小粗化的网格尺寸，具体为尺寸每次减小1mm。
23.优选地，步骤5所述的声学有限元模型的具体建立方法为：
24.步骤1.使用有限元软件对所述电驱模型表面的孔洞进行封堵，并做出电驱模型外表面的包络网格，作为声学网格的内表面；
25.步骤2.根据电驱模型外表面的包络网格，放大至1.1-1.2倍得到声学网格的外表面，作为声学辐射面；
26.步骤3.进行内外表面之间的声学网格填充，网格尺寸应小于最高分析频率的1/6波长，网格层数为2-4层；
27.步骤4.设置电驱模型的结构网格与声学网格的耦合关系，以建立激励从结构到空气的传递路径。
28.优选地，步骤5所述的声学有限元模型的具体建立方法为：
29.步骤1.使用有限元软件对所述电驱模型表面的孔洞进行封堵，并做出电驱模型外表面的包络网格，作为声学网格的内表面；
30.步骤2.根据电驱模型外表面的包络网格，放大至1.1倍得到声学网格的外表面，作为声学辐射面；
31.步骤3.进行内外表面之间的声学网格填充，网格尺寸应小于最高分析频率的1/6波长，网格层数为2层；
32.步骤4.设置电驱模型的结构网格与声学网格的耦合关系，以建立激励从结构到空气的传递路径。
33.优选地，步骤6中所述的激励加载的具体方式为：电机激励加载于电机定子齿的凝聚节点处；齿轮啮合激励加载于齿轮啮合节点处。
34.与现有技术相比，本发明解决了仿真方法无法考虑电机和减速器的耦合影响、仿真效率低，结果不够精确的问题，具体有益效果为：
35.1.本发明提供的电驱一体化nvh仿真建模方法，建立了完整的仿真模型，包含壳体、电机转子、逆变器内部质量、减速器轴齿等内部结构以及悬置支架，可以实现电机激励与齿轮啮合激励同步加载，实现机电噪声耦合分析，得到在全转速范围内整个声场的噪声结果。
36.2.本发明提供的电驱一体化nvh仿真模型简化及校正过程，通过适当增大有限元模型的网格尺寸，减少网格和节点数量，再逐步校验和减小网格尺寸，简化前后模型的模态频率差异控制住在1％以内，既降低了模态计算的计算量、减小模型规模，又保证了后续噪声计算的精度。
37.3.本发明使用声学有限元方法进行噪声响应计算，克服了现有技术使用的表面振动速度法无法得到噪声声场结果的问题，可以保证较准确的声学响应频率，得到更精确的辐射声场结果，能够和实际噪声结果进行对比。
38.4.应用本发明方法建立的电驱一体化nvh仿真模型，进行仿真试验时，只需进行一次仿真设置和分析，可以比电机和减速器单独建模的方法节约近30％的手动设置和分析时间，提升仿真效率。
附图说明
39.图1为本发明提供的电驱一体化nvh仿真建模方法流程图；
40.图2为实施例1所述的声学场点的设置分布示意图；
41.图3为实施例9所述的网格包络后的模型示意图；
42.图4为实施例9所述的声学辐射面示意图。
具体实施方式
43.为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合本发明的说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明的技术方案，而不应理解为对本发明的限制。
44.实施例1.
45.本实施例提供了一种电驱一体化nvh仿真建模方法，参照流程图1可以更好理解本实施例，具体方法包括以下步骤：
46.步骤1.对电驱系统的部件分别进行详细的有限元建模；
47.步骤2.对悬置支架使用弹性单元进行约束，根据实际悬置刚度参数设置弹性单元x轴、y轴和z轴三个方向的弹性模量，对建立的限元模型进行装配，建立电驱动总成结构有限元模型；
48.步骤3.简化电驱动总成结构有限元模型，粗化模型的网格尺寸；
49.步骤4.对粗化后的网格尺寸进行校正，获得合适精度的粗化网格；
50.步骤5.将合适精度的粗化网格对电驱模型进行包络，进一步建立声学有限元模型；
51.步骤6.电驱模型包络的同时获取电机与减速器激励，激励加载到相应的电驱有限元模型；
52.步骤7.根据iso 3744-2010标准或实际测试点位置在模型中设置声学场点，如图2所示为声学场点的设置分布示意图，根据iso 3744-2010标准在每个面的对角线交点处设置声学场点，至此完成模型的建立。
53.本实施例所述的电驱一体化nvh仿真建模方法，提供了电驱一体化nvh仿真模型简化及校正过程，通过适当增大有限元模型的网格尺寸，减少网格和节点数量，再逐步校验和减小网格尺寸，可以确保得到合适的网格精度。
54.实施例2.
55.本实施例为对实施例1的进一步限定，步骤1所述的电驱系统的部件包括电机、减速器、逆变器和悬置支架。
56.实施例3.
57.本实施例为对实施例2的进一步限定，所述电机包括电机的定子、转子和壳体，所述减速器包括减速器壳体和减速器轴齿结构，所述逆变器包括逆变器壳体及其内部结构。
58.本实施例对电驱系统的各个部件建立有限元模型，包括全部电驱系统的全部壳体以及内部结构，以保证后续仿真计算结果的精度高。
59.实施例4.
60.本实施例为对实施例1的进一步限定，步骤3中所述的粗化模型的网格尺寸，其粗化后的尺寸设置为13-17mm。
61.实施例5.
62.本实施例为对实施例1的进一步限定，步骤3中所述的粗化模型的网格尺寸，其粗化后的尺寸设置为15mm。
63.通过适当增大有限元模型的网格尺寸，所述网格粗化后的尺寸最优设置为15mm，这样设置可以减少网格和节点数量，使得仿真计算效率有所提高。
64.实施例6.
65.本实施例为对实施例1的进一步限定，步骤4所述的校正的方法为：
66.对网格粗化前后模型的模态频率值进行对比，若模态频率值的差异超过1％，则逐步减小粗化的网格尺寸并校验，若模态频率值的差异低于1％，则校正完毕。
67.本实施例所述的校正方法将简化前后模型的模态频率差异控制在1％以内，使得网格粗化后，在提高仿真计算效率的同时，也保证了噪声计算的精度。
68.实施例7.
69.本实施例为对实施例5的进一步限定，所述逐步减小粗化的网格尺寸，具体为尺寸每次减小1mm，使得调整后的网格精度高的同时，最大程度上减少了不必要的计算。
70.实施例8
71.本实施例为对实施例1的进一步限定，步骤5所述的声学有限元模型的具体建立方法为：
72.步骤1.使用有限元软件对所述电驱模型表面的孔洞进行封堵，并做出电驱模型外表面的包络网格，作为声学网格的内表面；
73.步骤2.根据电驱模型外表面的包络网格，放大至1.1-1.2倍得到声学网格的外表面，作为声学辐射面；
74.步骤3.进行内外表面之间的声学网格填充，网格尺寸应小于最高分析频率的1/6波长，网格层数为2-4层；
75.步骤4.设置电驱模型的结构网格与声学网格的耦合关系，以建立激励从结构到空气的传递路径。
76.实施例9.
77.本实施例为对实施例1的进一步限定，步骤5所述的声学有限元模型的具体建立方法为：
78.步骤1.使用有限元软件对所述电驱模型表面的孔洞进行封堵，并做出电驱模型外表面的包络网格，作为声学网格的内表面，网格包络后的模型如图3所示；
79.步骤2.根据电驱模型外表面的包络网格，放大至1.1倍得到声学网格的外表面，作为声学辐射面，如图4所示；
80.步骤3.进行内外表面之间的声学网格填充，网格尺寸应小于最高分析频率的1/6波长，网格层数为2层；
81.步骤4.设置电驱模型的结构网格与声学网格的耦合关系，以建立激励从结构到空气的传递路径。
82.本实施例使用声学有限元方法对噪声相应进行计算，降低了模态计算的计算量、减小模型规模、提升计算效率的同时，保证较准确的声学响应频率，可得到更精确的辐射声场结果。
83.实施例10.
84.本实施例为对实施例1的进一步限定，步骤6中所述的激励加载的具体方式为：
85.电机激励加载于电机定子齿的凝聚节点处；齿轮啮合激励加载于齿轮啮合节点处。
86.本实施例实现了电机激励与齿轮啮合激励同步加载，实现机电噪声耦合分析，得到在全转速范围内整个声场的噪声结果，且同步完成电机、减速器nvh仿真，提升分析效率。
87.可以理解的是，上述实施例不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员通过本发明的技术方案可以获得技术启示，在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。