德国斯图加特内燃机与车辆研究所 (FKFS) 借助 Siemens Simcenter 软件实现气动声学风洞的压倒性优势

FKFS：有着悠久历史的重要测试机构

斯图加特内燃机与车辆研究所 (FKFS) 是一家公认的研究所，为汽车行业提供测试、仿真和咨询服务。服务范围由三个部分组成：汽车工程、动力系统和机电一体化。大量经验和将近 90 年的物理测试和仿真历史，让 FKFS 具备了各种各样的仿真和测试功能，几乎能够应对车辆不同开发阶段的所有零件。FKFS 遵照标准化 ISO 认证流程，如今提供四种风洞服务：全尺寸气动声学、比例模型、热能和数字化风洞。有些测试设施的规模在欧洲也足以为傲，譬如具备二维震击器和六轴并联试验台的机电一体化驾驶模拟器。

气动声学风洞的目标是理解车辆设计如何决定座舱感测到的风噪。为了获得必需的工程见解，车辆会放在不同流速和不同偏角的全尺寸气动声学风洞中，同时测量车辆表面发散的外部声压。与内部声学测量一起，这些试验展示了驾驶舒适度方面需要攻克的声学泄漏问题以及改进要点。

汽车制造商深知，车辆噪声、振动与声振粗糙度 (NVH) 性能决定了顾客感知，并且对于购买决策有着直接影响。出于此原因，大量车辆开发预算分配到声学测试中，只为控制最终的 NVH 性能。

推进气动声学车辆开发

为了应对全球不断加剧的竞争，过去几年在增加气动声学风洞数量的情况下，FKFS 决定升级并拓展其气动声学测试能力，积极投资于新的特色技术。“我们有责任紧跟竞争步伐，关键的核心就在于不断创新。顾客的争论激烈，因而也鼓舞我们向前迈出这一步，”FKFS 车辆声学与振动部门主管赖因哈德·布卢姆里奇 (Reinhard Blumrich) 博士说道。

2019 年，FKFS 将基于阵列的现有声学镜替换为新的气动声学测试技术。“对于气动声学，依赖仿真仍然困难重重，”布卢姆里奇博士说道。“这种仿真非常复杂，需要花费大量时间。”

西门子 Simcenter™ 专家部署的新型气动声学风洞试验系统由顶部和侧面麦克风阵列组成，包括 300 多个外部声压测量麦克风和内部麦克风阵列。这些硬件可以与 Simcenter™ Testlab™ 软件无缝连接。“现在，我们可以一次同时测量外部和内部噪声，并将结果关联起来以查看关联性。当然速度比以前快很多，”布卢姆里奇博士说道。

新一代气动声学风洞

与先前试验设备将声压局部镜像到车辆上不同的是，新型顶部和侧面麦克风阵列在一次测量中提供整车声场的 3D 表示。“99% 的情况下，我们研究的是最终内部噪声，”布卢姆里奇博士解释道。“一方面，我们测量产生噪声的外部噪声。另一方面，我们通过内部阵列、仿真人偶和麦克风测量内部噪声，从而确定外部发生情况与内部感知噪声之间的关系。这是 Siemens Simcenter 解决方案的主要优势之一，即，可以通过非常复杂的方式将外部和内部测量值组合起来。”

这就意味着必须仔细思考并测试车辆设计，因为考虑到 A 柱、后视镜、侧窗、雨刮器和门把手之类零件，每一项小设计调整都可能对最终车辆声学性能产生巨大影响。

“我们绝大部分的客户都是汽车生产商、供应商，例如天窗和车窗制造商，”布卢姆里奇博士说道。“找到密封系统、A 柱、侧窗和挡风玻璃的理想设计需要进行大量研究，这也就不足为奇。”

大幅提高每次试验的效率

风洞试验中应用的新技术为使用“源-传递路径-接收体”原理推进车辆声学性能带来了新的机会。这种方法将外部声源与内部噪声的传递区分开来。这样就能够有理有据地决定如何更好地解决声学问题。例如，此方法并非采用车门密封设计以避免和隔绝最终噪声，而是找出可能解决噪声来源的途径，例如更改后视镜或雨刮器的设计以避免产生噪声。此方法为 FKFS 及其客户提供了更多优化最终声学性能的途径。

总体而言，使用新的 Simcenter 风洞试验技术，原本需要一周的计算流体力学 (CFD) 计算才能获得的结果，可以通过风洞试验在几分钟内获得。此项技术的目标是使用先进声学阵列实时确定车内和车外的气动声学压力。

测试工程师通常首先比较不同风速和偏角（流体和车辆之间的角度），然后继续进行车辆的设计修改。他们可以轻松更改不同的组件变量并立即比较声学影响。前门的密封系统以及整车密封之类内部零件也同样如此。

借助 Simcenter 风洞解决方案，FKFS 工程师们执行测量并访问更多、更高质量的信息，让客户可以立即互动评估实时结果。以前的方法在短时间内是无法做到的，因为性能受限，无法立即调整车辆设计。新型西门子技术让开发团队能够在风洞试验过程中正确决策。“在试验过程中，客户通常与我们的工程师一同留在控制室里，”布卢姆里奇博士说道。“我们的工程师进行试验，客户可以立即在后处理计算机上访问数据。客户既可以遵照预定的试验计划稍后分析数据，也可以立即调整一些车辆设计，譬如更改天线。客户和我们工程师之间的这种合作非常密切。”

为客户创造测试价值

借助新型 Siemens Simcenter 气动声学风洞系统，FKFS 的测试效率提高了大约 2% 到 10%，具体取决于测试项目和规模。“得益于新型风洞系统的问世，我们的客户可以从每次试验中获取更多和更详细的信息，甚至比预期信息还多，”布卢姆里奇博士解释道。声场的 3D 表示加快了与客户的协同。“这样优质的服务方式让客户能够更好地了解车内或车外声场。”

汽车设备制造商在同样的测试时间内，能够测试更多车辆变型，因此得以从这一技术获益。这种升级也为 FKFS 带来了新客户，几个月的时间内，这种新型测试设备就被大量使用和预订。“甚至每隔一周，我们就需要安排晚班以满足需求，”布卢姆里奇博士说道。

电动汽车的气动声学测试

升级气动声学风洞的决定反映了当前车辆电气化的趋势。混合动力和电动汽车中不再存在声音很大的内燃机以及轮胎/路面噪声，这让气动声学噪声源更容易听见。“由于动力系统噪声相应减少，轮胎/路面噪声和气动声学噪声相应增加。”布卢姆里奇博士解释道。“这也增加了对于气动声学测量的需求。如果消除内燃机动力系统或后视镜这样的噪声源，人耳会开始关注其他噪声源；这就意味着，研究和优化其他零件变得至关重要。”

更快交付项目并加强协同

总体而言，将现有系统扩展为一种新系统不仅涉及新系统的财务投资，还涉及重构过程中逾期项目的经济损失。这是选择供应商时需要考虑的重要因素，对于分秒必争的检测机构而言尤其如此。在回顾此项目时，布卢姆里奇博士称赞了项目的交付速度以及相互合作的方式。“这让人印象深刻，”布卢姆里奇博士说道。“尽管截止时间比较仓促，西门子仍然成功实现了按时部署。此外，西门子还为安装之后的系统改进提供了更多的合作项目。在这一方面，我们达成了开始联合研究项目的共识。这也是我们选择西门子作为合作伙伴的另一原因。”

FKFS 也已进一步开发了自己的工具套件，能够依据未来的自动驾驶车辆趋势，关注非稳态气动声学、车轮旋转和地面模拟以确定正确的底部流体，从而优化车内噪声。