新能源汽车汇总.docx

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新能源汽车汇总

研究生课程考核试卷

（适用于课程论文、提交报告）

科目：

新能源汽车关键技术与研究动态教师：

舒红宇

姓名：

聂杨学号：

20150713129

专业：

机械工程类别：

（专业）

上课时间：

2015年11月

考生成绩：

卷面成绩

平时成绩

课程综合成绩

阅卷评语：

阅卷教师（签名）

重庆大学研究生院制

最近老师让我们听了来自于重庆长安汽车公司的专家郭佑民老师和美国福特公司的专家Ching-HungChuang的几场讲座，让我受益匪浅。

郭佑民老师是研究汽车NVH这方面的专家，他讲的内容也是关于NVH这方面的，首先他介绍了NVH的概念，然后对他进行了详细的说明，接着用了几个案例来说明在NVH设计时应注意的一些事项，最后对它进行了评价。

Ching-HungChuang老师讲的内容是关于多学科优化设计及其在汽车研发中的应用，首先他先介绍了多学科优化设计方法的概念，然后与传统优化设计方法进行了比较，最后介绍了多学科优化设计方法在汽车研发中的应用以及一些案例。

1NVH的概念

汽车NVH是指汽车的Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（舒适性）。

汽车NVH研究以提高顾客的听觉、触觉、视觉等感官舒适度、改善汽车乘坐舒适性为目的，以提高车辆结构动态响应性能为手段，实现汽车的舒适性设计。

Noise（噪声）是指引起人烦躁、音量过强而危害人体健康的声音。

汽车噪音不但增加驾驶员和乘员的疲劳，而且影响汽车的行驶安全。

它是NVH问题中最主要的部分，常用声压级评价。

汽车噪声主要包括车身壁板产生的噪声、空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源（如发动机、制动器等）传入的噪声。

噪声是NVH问题中最主要的部分，汽车上的噪声主要包括车身壁板振动产生的噪声、空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源（如发动机、制动器等）传入的噪声。

人耳能分辩的声音频率一般在lkHz以下，噪声常用声压和声压级评价。

国家标准规定：

汽车加速行驶时车外噪声要小于88dB，M1类汽车应小于77dBN；而车内噪声会影响乘员的语言交流，损伤驾驶员的听力，美国在1965年就规定公共汽车的车内噪声不得超过88dB。

主要通过频率、级别和音质来描述。

 Vibration（振动）描述的是系统状态的参量（如位移）在其基准值上下交替变化的过程。

汽车振动主要包括由路面不平整而引起的车身垂直方向振动、发动机的不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮的摆振和传动系的扭转摆动等，还有方向盘、仪表板等振动，一般来说，对人体舒适性影响较大的振动主要表现为座椅、地板对人体输入的低频振动，其频率范围在1～80HZ。

主要通过频率、振幅和方向来描述。

Harshness（舒适性）指的是振动和噪声的品质，它并不是一个与振动、噪声相并列的物理概念，而是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来直接度量。

总的说来，舒适性描述的是振动和噪声共同产生的使人感到疲劳的程度。

车辆的NVH基本上可以分为车身NVH、发动机NVH和底盘NVH三个部分；类型可以细分为道路NVH、制动NVH、空调系统NVH、空气动力NVH等数个部分。

从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源、振动传递器和响应器组成的系统，NVH激励源主要包括发动机、动力总成、车轮和轮胎、不平路面和风等。

这些激励产生的振动、噪声经过悬架系统、车身结构系统等传递器的放大器传入车室内空腔形成声学响碰，最终表现为座椅、地板和转向盘的触觉振动，驾驶员和乘客的耳旁噪声，仪表板、后视镜的视觉振动等现象。

（燃烧的噪声、风的噪声、 齿轮传动的声音、 轴承的敲击声、柴油机的敲击声 、 遮阳顶棚的噪声、齿轮的声音 、电动窗的噪声、气阀机构的噪声、门的砰的声音、 变速杆换档的噪声、轮胎的噪声、FEAD噪声 、 中央门锁的噪声、 动力传动系统的噪声、排气噪声、动力转向系统的声音 、开关的噪声 、动力传动系统的噪声 、吱吱声和喀嚓声、燃油泵的噪声、 指示器的滴答声 、 道路的噪声  、水溅的噪声、交流发电机的噪声、 挡风玻璃的噪声、撞击振动声、通风口的噪声）

2NVH性能评价参数

NVH最重要的衡量标准是顾客的反应。

然而，很难用语言描述来表达顾客的偏爱，所以，建立一些客观评价的状态参数是很重要的。

一个产品的声品质是指它带给人特有的听觉感受。

声品质包括响度、音色、音调、锐度、纯音度、声音的调制和语音清晰度等方面的指标。

响度是指人对声音的主观感受。

锐度是指高频部分与低频成分的比值，如果高频的成分多，声音的锐度高。

当某个频率的声音掩盖了其他频率的声音且听得非常清楚，则称其为纯音。

声品质是一种主观感受。

人们说一个产品的声品质好是指该声音不让人烦 恼，而声品质坏是指噪声使人不舒服并让人有烦恼的感觉。

2.1主观评价

主观评价是顾客对车内噪声、振动和舒适性的直观感觉，感觉声音是安静还是吵闹，是和谐还是刺耳，感觉振动大小和舒适性。

内NVH的主观评价指标包括主观定级和声品质。

主观定级评分是人为地把噪声或者振动分成l0个级别。

第1级表示噪声或者振动非常大，人绝对不能接受。

第l0级表示噪声或者振动非常小，以至乘客在车里面感觉不到噪声与振动的存在。

其他的8个级别介于第1级和第l0级之间，噪声振动依次从大到小。

2.2客观评价

车内噪声评价反映了一部汽车整体噪声与振动水准，所以又叫整车评价。

内噪声的评价包括噪声量级的大小和声品质。

发动机的振动与噪声是与阶次密切相关的，因此车内噪声也是由不同阶次组成。

如果知道了子振动级或者噪声级与转速和频率的关系，阶次曲线也就确定了，这对于寻找噪声源就非常有帮助。

还有一些噪声是与转速没有关系的。

若这个噪声的频率不随转速而变化，那么很可能是由共振引起的噪声。

如果这个噪声杂乱无章，那么这个噪声很可能是摩擦噪声。

声压或者声功率是频率的函数，求出所有频率下的声压或者声功率的均方根值，然后得到其声压级或者声功率级。

这种声级用来作为怠速时声音的评价指标。

语音清晰度是Beranek提出来的。

这个参数描述了在噪声环境下说话的清晰程度。

语音清晰废是用百分数来表示，100％表示说话完全听得清楚，0％表示说话完全听不清楚。

说话的声音有它的频谱。

这个频谱是用l、3倍频程来表示。

乘坐质量（Ride quality）是车内振动最主要的衡量指标。

各种振动源将振动传递到座椅、方向盘和地板，车内的顾客会感受到这些振动。

地板（或者是椅子的支架）的振动反应了车体本身的特性，同时又是对椅子的振动输人。

椅子的振动与地板的输人和椅子的结构特征有关12]。

所以知道这些结构的振动特性对提高人体的舒适性非常重要。

人体各个部位对振动敏感频率是不一样的。

手的敏感频率是8-16 Hz。

坐着的时候，各个方向的敏感频率不同：

在垂直方向4-8Hz，而在横向为1-2Hz。

在开发的初期，车内噪声与振动指标确定后，这个指标就分解到各个系统和零部件。

在以后的开发过程中，所有系统和零部件的开发就是以车内指标为中心进行的。

比如车内噪声分解到排气系统，排气系统就设立排气尾管的噪声指标、辐射噪声指标、消声器的传递损失指标和挂钩传递力的指标等。

能否达到系统和零部件的噪声与振动指标就完全取决于汽车公司和供应商的技术水平和制造能力。

这些决定了一家公司在市场上的竞争力。

汽车在通过街道和居民区时会产生噪声。

过大的噪声会影响人们的休息和生活，于是政府颁布法规，规定当汽车通过街道时，在一定的距离内，其噪声不能超过某个标准，这就是通过噪声。

汽车高速行驶时，其噪声源有两大类：

一类是汽车本身的噪声源，另一类是汽车与之接触的物体的摩擦噪声。

汽车本身的噪声源包括：

进气系统的噪声、排气系统的噪声和发动机的辐射噪声。

而汽车与之接触的物体的摩擦噪声包括：

车胎——路面摩擦噪声和车体一空气摩擦产生的风激噪声。

3汽车NVH特性的几种研究方法

3.1多体系统动力学方法

将系统内各部件抽象为刚体或弹性体，研究它们在大范围空间运动时的动力学特性。

在汽车NVH特性的研究中，多体系统动力学方法主要应用于底盘悬架系统、转向传动系统低频范围的建模与分析。

3.2有限元方法

有限元方法是把连续的弹性体划分成有限个单元，通过在计算机上划分网格建立有限元模型，计算系统的变形和应力以及动力学特性。

由于有限元方法的日益完善以及相应分析软件的成熟，使它成为研究汽车NVH特性的重要方法。

一方面，它适用于车身结构振动，车室内部空腔噪声的建模分析；另一方面，与多体系统动力学方法相结合来分析汽车底盘系统的动力学特性，其准确度也大大提高。

在汽车噪声问题中，声学有限元法主要用于分析汽车结构振动引起的车内噪声问题。

声学有限元法是用有限单元将声传播的空气域如汽车的内部空间离散化，根据声学波动方程求解空气域中的声特性。

通常，使用结构有限单元将声传播空气域周围的结构振动进行离散化，同时考虑结构一空腔耦合问题求解，在解得结构振动的同时，也解得空气中的声传播。

为了求解其中的结构振动一声学耦合问题，空气动力方程和空气连续性方程在一定条件下都转化为声学波动方程。

3.3边界元方法

与有限元方法相比，边界元方法（BEM）降低了求解问题的维数，能方便地处理无界区域问题，并且在计算机上也可以轻松地生成高效率的网格，但计算速度较慢。

对于汽车车身结构和车室内部空腔的声固耦合系统也可以采用边界元法进行分析，由于边界元法在处理车室内吸声材料建模方面具有独特的优点，因此正在得到广泛的应用。

3.4统计能量分析方法

以空间声学和统计力学为基础的统计能量分析（SEA）方法是将系统分解为多个子系统，研究它们之间能量流动和模态响应的统计特性。

它适用于结构、声学等系统的动力学分析。

对于中高频（300HZ）的汽车NVH特性预测，如果采用FEM或BEM建立模型，将大大增加工作量而且其结果准确度并不高，因此这时采用统计能量分析方法是合理的。

有人利用SEAM软件对某皮卡车建立了SEA模型，分析了它在250Hz以上的NVH特性并研究了模型参数对它的影响，得到令人满意的结果。

计能量分析作为一种分析方法，其更重要的作用在于列出主要噪声贡献，以及预测不同设计对车内噪声的相对影响。

统计能量分析模型一旦通过验证，就可以精确描述这种微小的噪声性能变化，体现出分析方法的应用阶值。

4汽车NVH系统的仿真分析

4.1刚弹耦合系统的仿真分析

利用CAE进行汽车低频NVH特性分析时，一般采用有限元方法和多体系统动力学方法相结合预测车身的振动和车室内的声压。

汽车底盘NVH特性的研究是以多体动力学和有限元方法的仿真计算为基础的，通过仿真模拟可以直接计算出大量汽车NVH特性参数，对于低频运动，车身、轮毂、车桥和车架可以视为刚体，彼此之间用理想铰链连接并由弹簧，减振器等元素约束，利用MSC/ADAMS等多体软件可以直接建立整车模型并分析求解。

试验表明：

利用多体系统动力学车模型对40Hz以下NVH特性的模拟非常准确。

但对于较高频率（40Hz～200Hz）的NVH特性研究，由于车身、车架模态的影响，系统既包括大范围的运动又含有小范围的变形，采用单一的理论方法建立模型非常困难，一般采用刚体、弹性体（也称为柔体）相结合的建模方法，既刚弹耦合方法。

模型的建立与仿真分析在建立刚弹耦合模型时，由于有限元模型的自由度数目巨大，因此必须利用部件模态综合等方法对其进行动力缩减，在MSC．Nastran软件中是通过超单元（Superelement）分析实现的。

MSC、ADAMS／Flex模块可以将有限元分析时生成的超单元模型转换为模态中性文件（MNF），它由柔体的模态组成，包含着模态频率、模态坐标、模态转换矩阵、模态质量以及模态刚度矩阵等所有的模态信息。

MSC．ADAMS直接调用MNF生成柔体元件并将它连接到多体系统动力学模型中就可以生成系统的则弹耦合模型。

4.2声固耦合系统的仿真分析

在车型的开发过程中，车身的NVH模型是逐渐细化的，从概念阶段到设计完善再到最后的审批，单元、节点的数目从l万可以发展到十几万甚至几十万。

在此期间，汽车内部的噪声预测是通过对车身结构和封闭空腔之间声固耦合作用的模似得到的。

其数学模型必须能够反映出车身结构和车室内空气的动力学特性以及两者在边界上的相互作用，采用有 限方法可以有效地解决这一问题。

通过对声学和结构力学平衡方程式的类比，可以发现流体压力相当于结构位移，流体的体积模量相当于结构材料密度的倒数，而流体密度则相当于结构的弹性模量的倒数。

这说明如果声学空腔用结构实体单元建立模型，只要材料的平衡方程式得到节点X方向的位移就是空腔中该节点的压力。

利用MSC．Msstran建立声固耦合模型时，车身结构模型和车室空腔声学模型是利用MSC．Patran提供的壳单元和三维实体（六面体等）单元分别建立的。

为了与车身结构模型相耦合，空腔表面的节点必须与车身结构节点全部重合。

在MSC．Nastran中利用“ACMODL．IDENT”卡使两个模型中相重合的节点连接（耦合）在一起，保证它们在分析时一起运动，就得到了声固耦合系统模型。

车室空腔系统的声学特征表现为与固有频率和振型（声压分布）相联系的声学振动模态。

强迫振动下车室内部各点的总压力响应取决于各个声学模态被激励的方式，车室空腔的共振会明显增大噪声响应。

对声固耦合系统进行模态分析可以识别出系统的模态频率和振型，为预测并分析声学响应准备必须的条件。

由于耦合系统是由结构和空腔相互作用形成的，因此它的模态与结构和空腔两个系统的模态是对应的。

耦合系统的模态振型由两部分组成：

结构的变形和空腔流体中声压的分布，这些模态可能是由于结构的振动引起声压分布的变化（即结构变形占主要地位），也可能是声压变化引起结构的振动面产生的（即声压变化为主），它们分别与结构和空腔两个系统的模态相对应。

车室内部噪声的预测是汽车NVH特性研究的重要内容。

与耦合系统的模态分析相比，计算车身壁板振动引起的车室噪声可以获得更详细的设计资料，更有利于帮助评价结构改进的效果。

5多学科优化设计方法

学科设计优化（MultidisciplinaryDesignOptimization,简称MDO）是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。

其主要思想是在复杂系统设计的整个过程中利用分布式计算机网络技术来集成各个学科（子系统）的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程。

其目的是通过充分利用各个学科（子系统）之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，通过实现并行设计，来缩短设计周期，从而使研制出的产品更具有竞争力。

因此，MDO宗旨与现代制造技术中的并行工程思想不谋而合，它实际上是用优化原理为产品的全寿命周期设计提供一个理论基础和实施方法。

MDO研究内容包括三大方面：

1，面向设计的各门学科分析方法和软件的集成；2，探索有效的MDO算法，实现多学科（子系统）并行设计，获得系统整体最优解；3，MDO分布式计算机网络环境。

6多学科优化设计方法与传统优化设计方法的比较

传统的设计方法往往对每个子系统（学科）单独优化,企图将几个最优的子系统组成一个最优的大系统。

这种设计方法忽略了工程系统内部各子系统间的相互关系,从而不能满足工程技术发展的需要。

工程系统与设计方法的这一矛盾在我国的生产设计领域表现得尤为明显:

一方面,结构、动力、控制等学科的理论不断完善,以及计算能力的飞速发展,使得设计人员能够建立更加复杂的数学模型,分析更加详细的结构,提高分析结果的精度,比如采用有限元方法进行结构分析、利用计算流体力学进行流体分析等。

但是,上述进步基本上发生在特定学科或子系统的范围内,并没有为总体设计带来直接益处。

另一方面,与各学科或子系统理论蓬勃发展形成强烈对比的是,长期以来复杂工程系统总体设计方法的发展一直停滞不前,其理论落后,方法陈旧。

虽然这些理论和方法在过去的数十年发挥了极其重要的作用,为我国生产工程事业的发展做出了巨大的贡献,但它们忽视了工程系统中各学科之间的耦合效应,不能充分利用学科的发展成果,与工程设计组织形式不一致。

这些固有缺陷决定了它们已不再适应新时期生产设计发展的迫切需要。

多学科优化设计是一种通过充分利用和探索系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论,20世纪80年代末90年代初首先在美国航空航天工业界兴起,目前已经成为美国等发达国家工业设计界一个新的研究领域,受到企业研究人员及学术界的广泛关注。

多学科优化设计（MDO）的基本目的之一是充分利用各学科（子系统）的相互作用而产生的协同效应,获得工程系统整体最优解,同时还要实现各学科的并行设计。

经过近10年的发展,MDO思想已经渗透到武器、航天、汽车、电子、机械、建筑等领域现代设计的各个环节和阶段。

它比传统的设计方法更具有先进性和前景,减少了成本,缩短了设计时间,使产品能尽快地投入生产和使用。

7多学科优化设计方法在汽车研发中的应用

汽车产品开发技术是建立在相关基础技术之上的系统集成技术,现代社会要求开发的汽车产品质量轻、价格低、能耗少和性能稳定,也就是要求汽车的整体性能最优.而汽车设计所包含的内容也是十分复杂的.从其结构上讲,汽车设计包含有整车、部件、零件等不同层次上的内容,而每一层次上均有指标要求及与其它零部件之间的相互需求,并且还涉及到机、电、液等不同专业信息,包括发动机、传热、热力、液压、传动、力学、空气动力、控制工程、电子电器、外观造型、人机工程等专业.另外,需要在设计过程中将影响产品最终性能的多种因素纳入考虑范围,比如国家产业政策、相关法律法规、市场需求、制造工艺、制造成本、可靠性、人力及计算机资源等因素,而且还要考虑这些因素之间所产生的相互影响、相互作用的耦合关系。

对于汽车总体设计这一复杂的多输入多输出反馈系统,我们采用模块化的思想,即在对产品设计的整体进行分析后,根据各个学科的特性和要求将整个系统划分成若干个模块（子系统）,对于每个模块分别独立进行分析求解,并行地进行优化.然后根据各个模块间的关系采用合适的策略进行耦合分析,通过系统对耦合变量的协调来满足各个模块及其之间的要求,最终获得产品的整体最优结果,求得系统最优解（见图1）。

图1　汽车多学科优化设计流程

第1步,建立初始数据库。

经过系统整体分析,获得相应的状态变量,将这些系统参数、设计变量和状态变量构成初始设计数据库,作为基准设计方案。

第2步,进行模块分析和优化设计。

在系统给定的模块优化设计目标函数的驱动下,并行地进行各模块的优化设计,找到各模块符合系统给出的目标函数的最优值。

第3步,系统级优化。

对各模块的最优值进行系统级优化来协调,解决其耦合关系,然后将系统级优化的结果分配给各个模块进行分析,获得相应的系统状态变量。

第4步,更新数据库.将这些新的设计变量及其系统状态变量加入到设计数据库中,得到一个新的设计数据库。

然后重新进行第2步和第3步工作,通过多次迭代,使得数据库的数据越来越丰富,同时对设计结果的逼近也越来越精确,最终找到一个一致性的最优解。

协同优化求解思路对每个模块并行的进行分析及优化设计,且每个模块进行优化时可暂不考虑其它模块的影响,只是满足本模块的约束条件,并通过系统级优化协调各模块设计优化结果之间的不协调性，通过系统级和模块级之间的多次迭代计算实现最优设计。

图2　协同优化求解思路

8结束语

通过郭佑民老师和Ching-HungChuang老师的几次讲座的学习，我对汽车的NVH设计以及多学科优化设计方法有了一定的认识，让我获益匪浅。

我是机械工程学院的学生，对汽车专业并不是很了解，但是听了两位来自知名汽车公司专家的几次讲座，我对汽车有了新的认识，同时对汽车的一些关键部位的设计有了一些自己的见解，两位专家对工作的热情，以及对学术十分严谨的态度深深的震撼到了我，在此我由衷的感谢两位老师。

在通过几次讲座的学习中，我感到我国的汽车行业与国外还有着很大的差距，其中一些核心技术还是采用国外的技术，但是我相信我们国家在这些专家的带领下，以及我们这些当代大学的共同努力，一定可以将我国的汽车行业推向一个新的高度，我再次向两位老师表示感谢。