案例 | Ansys Motion 新能源车电机动力NVH 仿真方案

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前言

NVH是噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）的缩写。是衡量汽车电机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的。车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造和零部件关注的问题之一。统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和NVH有关系，而更有近20%的研发费用消耗是在解决车辆的NVH问题。

涉及多物理领域的问题，我们可通过ANSYS多物理场解决方案进行；包含电磁力分析(ANSYS Maxwell)、多体动力结构分析(ANSYS Motion)、声学分析(ANSYS Mechanical/VRxperience Sound)等来实现。

电机NVH设计技术挑战包含：

• 电机噪声形成基理的多样性

• 噪声传播路径的复杂性

- 本体声音辐射

- 系统结构传导

• 小型化、大转矩、低噪声的设计矛盾

• 仿真精度的更高要求/制造质量的不均匀性

ANSYS NVH仿真关键技术：

• 集成式解决方案 [真正多物理场耦合仿真、跨学科优化平台]

- 电磁、震动、声学、优化

- 多学科模型间数据无缝传递

- 基于降级模型ROM的高速优化

• 行业顶尖求解工具 [精确且稳健的电磁、结构、声学求解器]

• 行业顶尖结构动力学工具 [ANSYS Motion]

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Maxwell电磁激励

Maxwell 将计算得到的电磁激励力保存成 UNV文件，可导入到ANSYS Motion中对应的电机模型。简要流程如下：

Maxwell 电机电磁力输出

• 电机2D模型

• 电机极数: 8

• 轴向深度 : 40mm

计算不同转速下的电磁激励力

UNV电磁激励力文件输出设置

• 打开“Enable Harmonic Force Calculation” 对话框

• 在“General”Tab中选需要输出的部件，电机动力学仿真中需要转子和定子的电磁力

• 选择输出文件位置

• “All steps” 选择所有分析步

Maxwell 电机电磁力输出

• Maxwell 输出如下两类文件（设定转速下）：

- maxwellunvforce2D.unv (Force)

- maxwellunvmesh2D.unv (Geometry)

• Ansys Motion电机动力总成的基于电磁激励力的瞬态动力学分析，需输入不同转速下的电磁激励力，因此在Maxwell 中需计算输出多个转速下的电磁激励力。将上述文件改名（ 如：Stator_1000rpm_F.unv, Stator_1000rpm_M.unv ）否则再次计算时该文件将被覆盖。

Geometry UNV file

Force UNV file

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电机动力总成建模

电机通过轴与齿轮箱相连接，电机激励力施加到电机转子和定子，以驱动齿轮转动，在齿轮箱动力输出轴施加相应反扭矩。

电机动力总成

齿轮箱侧

电机侧

ANSYS Motion快速模块

齿轮模型Gear Model

• 支持2D设计工具用于简单生产，同时支持3D建模便于系统装配

• 基于有限元模型，抽取齿刚度

• 提取任意载荷步的输出结果

轴承模型

• 为两个轨道之间建立快速而稳定的刚度模型

• 在分析过程中刚度可以基于载荷变化

• 轴承库包含主要轴承制造商（ NSK, SKF, KOYO, FAG ）

 

轴模型

• 多种截面类型 （圆形和圆环形、锥形和锥环形）

• 部件分析获得刚度特性

• 基于装配方法的尺寸定义（齿轮、轴承）

 

齿轮箱模型

• 通过简单的方式装配所有零部件到箱体上，并带有刚度和间隙

• 直接利用有限元网格模型进行装配

• 方便设定每一阶模态阻尼

• 可用MeshFree方式直接对CAD 模型进行柔性化处理

 

Ansys Motion 施加电磁力

• Ansys Motion 功能按钮实现Motor EM Force的施加。

电机电磁力设置界面，通过读入UNV檔在Motion中产生电磁力模型

1. Input depth of stator and rotor. (40)

2. Input layer of Motor EM Force. (5)

3. Set UNV file of the stator for the geometry.(Stator_M.unv)

4. Set UNV file of the rotor for the geometry.(Rotor_M.unv)

5. Set UNV file of the stator for the force.

   Stator_1000rpm_F.unv

   Stator_2000rpm_F.unv

   Stator_3000rpm_F.unv

   Stator_4000rpm_F.unv

   Stator_5000rpm_F.unv

6. Set UNV file of the rotor for the force.

   Rotor_1000rpm_F.unv

   Rotor_2000rpm_F.unv

   Rotor_3000rpm_F.unv

   Rotor_4000rpm_F.unv

   Rotor_5000rpm_F.unv

7. Input rpm.

8. Preview. (See the next page.

Ansys Motion 后处理-齿轮啮合

• 分析得到动力学结果(速度，加速度)

• 获取时间域的结果

利用短时傅里叶变换（FFT）获取瀑布图（Color Map）

Ansys Motion 后处理-声学计算

• Ansys Motion / Postprocessor可基于“ Rayleigh积分”来分析系统表面振动产生的声压，该条件假设沿物体法线方向移动且其表面的压缩和变形来自于物体运动速度。该方法忽略了反射声以及声固相互作用。

• 该方法对于中频（100〜10k）效果较好，整体模式与声学消声室（或半消声室）的结果非常相似。

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VRX Sound提供声音的全面解析

Ansys VRXPERIENCE Sound是一个后处理工具，可以根据声音质量指标和听力感知测试对声音进行分析和优化。还可以在模拟器和车内再现3D声音，提供沉浸式的声音体验。通过Maxwell电磁力进入Motion做震动分析产生的噪声，可由VRX还原出实际感受的声音体验。

文章来源：莎益博CAE仿真