使用基于模型的系统工程来采用全新虚拟 NVH 开发方法

重新思考道路噪声

自 1967 年成立以来，现代汽车集团 (HMG) 一直致力于精益求精。现代汽车集团一直是引领众多汽车技术的先锋，如今在未来移动出行方面已成为业内认可的领军企业。从公司的电气化愿景到一流的可靠性，HMG 业务的方方面面都体现了这种精神。这也充分说明了为何 HMG 承诺要致力于减少其车辆的道路噪声。

数十年来，原始设备制造商 (OEM) 一直在设法降低道路噪声，随着电动汽车 (EV) 的重要性日益增加，这一趋势也在不断加剧。作为其致力于精益求精的一部分，HMG 决定重新思考对其各种车辆应采用哪种道路噪声方法，因为这一变革涉及向集成式模块化架构 (IMA) 策略的过渡。这使 OEM 能够在多个车型中使用相同的零件，从而降低开发成本。这尤其适用于电动汽车，因为所开发的电池可以灵活地安装到任何车型上。为了解决 IMA 带来的新复杂性，HMG 一直在寻求整合数据、提供适当的基础架构并扩大虚拟开发。

HMG 的工程师是采用测试数据驱动型 MBSE 降低整车道路噪声的先驱。

不仅仅是软件供应商

HMG 的目标是成为世界上名列前茅的电动汽车 (EV) 制造商。为了实现这一目标，需要提高效率并降低其车辆项目成本，同时还要满足道路噪声性能目标。

这促使 HMG 与 Simcenter™ 工程和咨询服务建立战略合作伙伴关系，以减少 HMG 车辆的道路噪声。自 2019 年以来，双方密切合作，携手开发能够达到理想噪声级别的高质量车辆。Simcenter 是 Siemens Xcelerator 这一综合性、集成式软硬件和服务产品组合的一部分。

HMG 的工程师深知他们需要一种商业解决方案来平衡其开发过程中的精度和速度，从而优化道路噪声。他们也明白早期阶段的虚拟开发至关重要，但希望通过结合测试数据来确保仿真精度尽可能达到理想水平。

HMG 的数字化转型三步走战略。

“三年前，我们启动了一项任务，旨在定义测试工程师在虚拟开发环境中的角色，”HMG 资深研究工程师朴相英 (Sangyoung Park) 说道。“我们首先侧重于开发与我们的仿真模型兼容的测试模型。但是，在试图创建完全兼容的测试模型时，我遇到了巨大的障碍。鉴于此，我转向了 Simcenter 工程和咨询服务。”

“我们之所以选择 Simcenter Engineering 团队，是因为我们知道他们可以帮助我们将愿景转化为切实可行的实施路线图，”HMG 资深研究工程师郑在勋 (Jaehoon Jeong) 博士继续说道。“他们已经形成了经验证的软硬件集成方法和经验，可以在实际应用和技术进步之间达成平衡。”

这一切实施起来尤为顺利，鉴于 HMG 已经在使用 Simcenter 工具产品组合，因此，朴相英和郑在勋无需再投资、学习和实施新的解决方案。

“我们意识到可以将测试和仿真技术结合起来，创建出可信度更高的数字孪生，”朴相英表示。“我们将此过程称为测试数据驱动型 MBSE，并选择 Simcenter Engineering 来帮助我们构建兼具兼容性和可信度的典型测试模型，此外，这种测试模型还能使精度尽可能达到理想水平。”

因此，HMG 和 Simcenter Engineering 团队在几年时间里就一项多阶段项目达成了共同协议。

HMG 采用测试数据驱动型 MBSE 编创用于虚拟开发的测试模型。

轮胎的不变载荷

Simcenter 工程师与 HMG 团队通力合作，在车轮级别应用基于组件的传递路径分析 (TPA) 技术来确定车轮中心处的不变载荷。这些不变载荷（有时也称为阻塞力）完全取决于车轮，对接收结构保持不变。

这些载荷将有助于团队更好地了解组件的行为，并能够在开发阶段的早期与供应商共享明确的组件目标和其他信息。此外，通过使用 Simcenter 虚拟原型装配 (VPA)，虚拟车辆装配变体可以使用车轮定义的不变载荷，用于预测和评估道路噪声性能，这反映了 HMG 在其开发的每一步都愿意使用测试数据驱动型 MBSE。

为了在 HMG 的开发流程中应用不变载荷，朴相英和 Simcenter Engineering 团队需要确定如何通过实验测定在轮胎上评估的载荷、理论是否适用于实际情况，以及他们预测车辆道路噪声性能的准确度。

Simcenter Engineering 团队与 HMG 携手合作，在轮胎上验证基于组件的 TPA 方法。双方团队能够证明该方法可以与 HMG 当前的道路噪声评估流程结合使用。

研究车轮级别的不变载荷。

历史性成就：基于测试的悬架建模

在前一阶段，系统仅由两个组件构成：轮胎作为源，车辆其余部分（包括带悬架的车身）作为接收体。

在下一阶段，Simcenter Engineering 团队和 HMG 团队进一步将接收结构分为悬架和车身，车架位于两者之间。所有组件都经过实验表征，使工程师能够在后续阶段构建模型，由此便可构建出整车的虚拟装配。

汽车行业的电气化趋势使这一阶段变得尤为重要。电气化转型使得传动系统、道路噪声和风噪成为车内噪声的主要来源。

基于组件的 TPA 是一种行之有效的方法，可以将单个子结构表征组装到虚拟车辆中，从而让系统设计人员能够在设计之间切换，以及处理日益增加的产品复杂性和不断增长的车辆变体数量。

然而，基于组件的 TPA 面临的一大主要挑战就是在实际工作边界条件和预载荷下准确表示子系统。此外，在测量组件时，连接接口处具有一定自由度，这就为在测试活动期间设定所需条件带来了重大挑战。应对这一挑战的解决方案是基于频率的子结构 (FBS) 解耦，这种技术可以通过从完整装配中去除支撑结构来确定未知组件振动行为的特征。FBS 解耦这种方法可以通过消除两个装配的次级结构影响来确定未知组件的频响函数 (FRF)。

在这个项目之前，已有若干家企业对基于测试创建悬架模型进行了测试和应用，都取得了不同程度的成功。然而，这些模型均无法满足 FBS 所需的数据形式和该项目的频率范围。

这是由于悬架自身特质导致它们无法单独进行表征，因为这些悬架在一侧安装于车轮上，而在另一侧却安装于车身上。这使得在单独对组件进行表征期间复刻工作边界条件变得具有挑战性，包括因车辆重量产生的垂直预载荷和驾驶过程中的悬架滑移。如果悬架建模不正确，结果也会不准确。FBS 解耦方法以前仅应用于学术用途，但从未出于商业用途应用在悬架上。通过运用这种方法，工程师能够创建出可以提供悬架所需的精度和频率范围的模型。

接下来，HMG 和 Simcenter Engineering 团队联合构建了一个定制台架，用于准确测试悬架，以及制定台架设计要求和验证台架设计。双方团队还意识到，对于该台架而言，可重复性将是关键所在，因此他们对此进行了设计，以便确保日后可以在内部自主使用。

设计悬架夹具需要硬件、仿真软件和基于组件的 TPA 相结合。

第一步是将悬架与专用于在各工况下进行 FRF 测试的测试夹具进行耦合。测试夹具使用有限元 (FE) 模型进行设计和验证，旨在对较强的动力学行为或过大的刚度进行限制，以便能够将其与目标结构相耦合。此外，夹具允许在其接口点处使用适配器块安装不同的悬架。

朴相英和 Simcenter Engineering 团队是带头为基于 FBS 的装配分析成功构建完整测试设置的团队。这种设置能够借助正确的工作边界条件确定典型集成式前悬架模型。

“当我提出我们要构建悬架模型的想法时，我还不确定这是否能够实现，”朴相英说道。“不过，西门子集成式硬件、软件和基于组件的 TPA 测试使我们能够准确无误地设计出难度相当高的夹具。此外，还运用了从其他测试活动中学到的各种技术来成功进行即时更改。我们取得的进展令人鼓舞，将有助于我们准备未来的模型，用于在开发的早期阶段评估性能。”

悬架模型表征

完成台架后，双方团队开始对悬架模型进行表征。面向多学科产品工程的计算机辅助工程 (CAE) 解决方案 Simcenter 3D 用于评估理想测试设置，包括传感器定位、可访问性以及与 Simcenter for Qsources™ 硬件的激励兼容性。Simcenter Qsources 是一套用于测量频响函数的噪声和振动激励硬件套件。

使用 Simcenter 3D 还让比利时鲁汶的仿真团队与韩国的测试团队之间能够轻松沟通。鲁汶的工程师为加速度计和 Simcenter Qsources 激振器构建、评估和验证了计算机辅助设计 (CAD) 模型。通过使用这些 CAD 模型，韩国的测试工程师可以根据这些 CAD 模型进行仪器安装和测量。这让 Simcenter Engineering 团队与客户之间形成了一个关键的反馈闭环，能够进行更改和提取测试几何体。

放置了传感器后，内含 Simcenter Testlab™ 软件和 Simcenter SCADAS™ 硬件的 Simcenter 测试解决方案产品组合便可用于在测试台架上对系统的结构动力学进行表征。双方团队还使用 Simcenter Qsources 激振器和激励硬件来确认测量结果的准确性。

双方团队在测试台架上多次重复开展这些研究。该研究得出了大约 31,800 个传递函数/FRF（146 个激励和 132 个响应）。该悬架组件包含大量连接点，其相互作用需要进行描述和测量。因此，需要大量频响函数 (FRF) 对其从轮毂输入到车身连接输出进行表征。这是一项大工程，但对于确保准确的模型创建不可或缺。

他们的付出收获了成功：测试结束后，双方团队能够成功提取动力学行为，将其用于对悬架系统进行精确建模。项目结束后，Simcenter Engineering 团队将台架交付给客户，以供将来在现场使用。

技术部署和定制

接下来，Simcenter Engineering 与 HMG 携手合作，使用 Simcenter VPA 和 Testlab NVH 模拟器联合部署从项目前几个阶段学到的技术。

“利用之前项目中开发的模型和技术，我们希望为我们的系统设计人员提供机会，让他们能够主观评估道路和速度等各种驾驶条件下的道路噪声可听化，”朴相英说道。

通过使用 Simcenter VPA，Simcenter Engineering 和 HMG 基于测试和仿真模型构建了虚拟车辆装配。双方团队如今可以对车辆 NVH 性能进行虚拟预测，确定向基于模型的虚拟车辆开发的转型不仅切实可行，甚至还会使精度变得更高。

双方团队确定了 HMG 在道路噪声分析方面的需求和目标，定义了路线图以增强和定制 Simcenter VPA，从而满足这些需求。这包括用于数据分析的专用图形用户界面 (GUI) 和用于复杂多级车辆装配的特定功能。这一阶段的终极目标是在使用 Simcenter Testlab NVH 模拟器构建出物理原型之前能够回放和听到开发过程中车辆的噪声。Simcenter Testlab NVH 模拟器能够使道路噪声与其他正态噪声源（如风、轮胎和动力总成）相结合，使其变得更加逼真。这有助于工程师做出更准确的噪声预测。

HMG 工程师将能够使用从 Simcenter Testlab 获取的数据进行详细分析，包括确定主要噪声、噪声来源等等。Simcenter Engineering 还将与 HMG 携手合作，建立包含这些噪声信息的数据库，包括用于虚拟装配的组件库和用于 Simcenter Testlab 的噪声信息。这将有助于 HMG 减少开发时间和成本。

最后，Simcenter Engineering 和 HMG 将对根据 HMG 特定需求提供的工具和方法进行微调。鉴于目标是将这项技术纳入 HMG 的开发流程，因此确保工具均经过定制对于提升效率和提高使用的便利性至关重要。

HMG 部署技术并对基于模型的虚拟车辆开发进行定制。

未来的路线图

朴相英与 Simcenter Engineering 正在联手开展多个项目，将该技术融入其中。除了精度有所提高之外，HMG 团队还希望缩短开发时间，因为该项目为他们提供了许多可用于车辆研究的测试零件和模型。这样就无需在每次开发新车时构建和关联仿真模型了。

“我们与 Simcenter Engineering 团队的密切合作十分愉快，”朴相英表示。“我们确信这个项目将帮助我们提高 HMG 全新 IMA 策略的开发效率。我们与 Simcenter Engineering 团队合作改进轮胎模型、使悬架模型变得更高效，以及解决所面临的其他挑战。我们很高兴他们成为我们 MBSE 之旅的战略合作伙伴。”

结合使用 Simcenter 软件和硬件有助于工程师构建车辆道路噪声的数字孪生。

客户至上

HMG 始终秉承着为客户精益求精的承诺，朴相英和郑在勋确认该项目将通过消除驾驶舱中不必要的噪声和振动来提高驾驶员/乘客舒适度。“我们与 Simcenter Engineering 团队合作的项目成果是，我们现在可以在车辆开发的早期阶段及时进行可靠的改进，”朴相英说道。“这将提高驾驶员和乘客的满意度，还将提高 HMG 车辆的舒适度和愉悦性。”