NVH（ Noise、Vibration、Harshness ）是衡量汽車制造質量的一個綜合性問題，它給汽車用戶的感受是最直接的。有統計資料顯示，整車約有1/3的故障問題是和汽車的NVH問題有關系，而各大汽車企業有近20%的研發費用花費在解決汽車的NVH問題上。在汽車NVH開發過程中，仿真是其中非常重要的一部分，可以在前期進行性能分析和改善，在后期可提供方向指導和建議參考。
NVH的重要性
NVH對顧客非常重要：NVH的好壞是顧客購買汽車的一個非常重要的因素；
NVH影響顧客的滿意度：在所有顧客不滿足的問題中，約有1/3是與NVH有關；
NVH影響到售后服務：約1/5的售后服務與NVH有關。
NVH涉及的范圍
NVH涉及面非常廣：在所有動態性能領域（NVH、碰撞安全、操穩、經濟性等）中，NVH是涉及面最廣的領域。
1、車身
2、電機、變速器等動力系統
3、底盤及懸架
4、內飾系統
5、電子電器
6、……
決定NVH開發的因素
NVH開發是一個目標制定-分解-驗證的過程
Benchmark分析
——數據庫數據
——競爭車的比較測試與分析（主觀與客觀）
目標設定
——確定市場及競爭目標
——考慮成本、重量、與其他系統之間的平衡
——確定目標
目標分解
設計認證
CAE在NVH開發中的地位
1、CAE是NVH開發中重要的一環，特別是數字樣機階段，能預測設計缺陷及縮短開發周期等；
2、在實車調校階段，能協助支持實車問題并提供相應方案。
汽車NVH仿真頻率段
1、超低頻段：2-50Hz，如懸架模態分析、座椅安裝點靜剛度分析、VTF分析等；
2、低頻段：20-200Hz，如模態分析、阻尼分析、接附點動剛度分析、NTF分析等；
3、中頻段：100-1000Hz，如正碰、側碰傳感器安裝點動剛度分析、ECU安裝點動剛度分析、零部件及關系子系統隔聲性能分析（如防火墻）；
4、高頻段：400-8000Hz，如零部件及關系子系統隔聲性能分析、整車聲學包性能分析及優化、整車內外聲場分析等。
汽車NVH仿真的主要內容
從整體上可分為：結構NVH及聲學NVH仿真。
在當前結構NVH仿真在汽車CAE開發中仍占有較大比重，結構NVH是基礎，是其他性能開發的基礎，如車身接附點動剛度沒做好，去做聲學包仿真，感覺有點不合適；首先基礎的結構NVH性能必須做到位，然后再去做聲學包等之類提升整車性能及品質的仿真分析優化。
結構NVH仿真在各大企業都有不同的定義，不管是分析條目還是考察指標。
NVH仿真通常包括以下內容
1、競品車 NVH分析；
2、目標定義（根據競品車和相近車型）；
3、開發車型NVH分析及優化（包括開發的前期各階段）；
4、開發車型的試驗相關性及模型標定；
5、實車問題跟蹤及解決方案；
結構NVH分析包括以下分析（不限于）：
（1）車身骨架系統
車身模態分析、車身彎曲剛度分析、車身扭轉剛度分析、車身接附點動剛度分析（包括底盤安裝點及附件安裝點）、車身鈑金靈敏度分析、車身阻尼片布置分析、車身局部安裝點靜剛度分析（如座椅及安全帶卷收器）等；
（2）底盤系統
轉向系統模態分析、動力傳動系統模態分析、傳動系統扭振分析、懸置系統模態分析、關鍵支架及系統模態分析等；
（3）Trimmed Body級
TB模態分析、GPA分析、PACA分析、FRF分析、聲腔模態分析、NTF分析、VTF分析、IPI分析（一般放在車身里分析，可在早期進行優化分析）；
（4）整車級
整車模態分析、整車TPA分析、整車路噪分析（如怠速、加速分析）、動力總成質心靈敏度分析、整車Spindle靈敏度分析、傳動軸不平衡分析、輪胎不平衡分析、整車Brake Shudder分析、整車Impact分析、整車冷卻風扇不平衡分析等；
（5）聲品質相關分析
異響分析、鎖扣安裝點動剛度分析、關門瞬時沖擊分析等
聲學NVH分析包括以下分析（不限于）：
1、零部件及關鍵子系統隔聲量分析（如防火墻）；
2、整車風噪分析；
3、整車聲學包性能分析；
4、整車內外聲場分析等。
NVH仿真主要的應用軟件及資源
1、三維軟件
Catia、UG、Pro/E等
2、前處理軟件
Hypermesh、ANSA、Abaqus/CAE、Amesim、SnRD等
3、求解軟件
Nastran、Optistruct、Radioss、Abaqus、Patran、Virtulab、Vaone等
4、后處理軟件
Hyperview、Abaqus/View、Virtulab、Testlab、Vaone、Amesim、SnRD等
5、計算資源
普通計算機、工作站、PBS、云計算平臺等
NVH仿真目標或參考值來源
NVH仿真目標或參考值沒有統一的具體數值，每個企業要求也不一樣，但目標定義原則一般有：
1、激勵源頻率（如路面、發動機激勵、風扇激勵、壓縮機激勵等）；
2、目標分解（如性能分解提供）；
3、NVH相關理論（如隔振理論、模態理論等）；
4、相近車型參考值；
5、競品車型分析或測試值；
6、已有的數據庫。
每一項分析都有其分析意義及目的，一個產品要有競爭的NVH性能，NVH仿真過程必不可少，也是企業核心競爭力非常重要的一部分。NVH性能優越，需要經驗豐富的NVH分析及開發人員、合理的目標值、充分的分析考察條目、良好的工藝及制造能力、優秀的產品設計能力、全面的試驗測試能力及完善的產品開發流程及管控。
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文|張博然的研究室
編輯|張博然的研究室
在煤礦中，錨桿支護是一種常用的方法，具有控制效果好、成本低、操作簡單等優點。隨著煤礦開采深度的增加，巷道承受的應力也會增大，可能導致巷道產生大變形。為了滿足這種高應力工況下的支護需求，有必要對普通錨桿的結構進行優化。
設計了多種類型的屈服螺栓，其中預應力屈服螺栓是最流行的一種。這種錨桿結構包括螺母、板材、高強度螺栓體和無縫鋼管組成。當巷道產生過多的變形時，屈服管會通過自身的變形來釋放變形能，從而增加錨桿的約束力，提高圍巖的穩定性，保證巷道的穩定性。
在實際安裝預應力屈服螺栓之前，需要使用專業設備進行鉆孔。由于鉆模設計、設備精度、人為失誤等不可控因素的影響，鉆孔過程中常常會出現井斜現象，導致預應力屈服螺栓產生偏心載荷。
已對屈服螺栓進行了大量研究，主要集中在三個方面。對屈服螺栓的產量效應進行評估，采用有限元分析等方法來評估其支護效果。對屈服螺栓的關鍵參數進行選擇，為錨桿的選型提供依據，研究屈服錨桿與圍巖的耦合關系，分析其機理和力學行為。
盡管有許多先前的研究涉及屈服螺栓的性能和行為，但對偏心載荷對其性能的影響尚未充分研究。建立了屈服螺栓的數值模型，通過該模型探討和總結了偏心載荷對屈服螺栓性能的影響，并通過工程驗證來確保模型的準確性。
為了適應高應力巷道并避免巷道產生大變形，人們開發了預應力屈服錨桿。在安裝預應力屈服螺栓之前，需要進行鉆孔。并非所有鉆孔都能垂直于巷道表面，這導致預應力屈服錨桿承受偏心載荷。為了研究偏心載荷對預應力屈服螺栓性能的影響，進行了數值模擬。
通過分析偏心載荷對位移-載荷關系、屈服管利用率、螺栓部件塑性應變以及屈服管吸收能力演變的影響，得出以下結果：在位移小于2毫米時，偏心載荷對屈服管的利用率、螺栓構件的塑性應變和吸收能力影響較大。
但當位移超過2毫米時，這些影響可以忽略不計。隨著偏心載荷的增加，屈服點及其相應的位移呈線性增加，而屈服幅度則呈線性減小。通過調節偏心載荷，可以控制屈服點和屈服強度，以滿足巷道支護的要求。
屈服螺栓的屈服過程涉及多種非線性，包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等。由于螺栓結構復雜，傳統的理論計算無法充分揭示偏載對屈服螺栓性能的影響。采用數值模擬的方法來解決這個問題。
解決方案的流程，其中關鍵是求解非線性方程組。非線性系統可以表示為：KΔu=F - R=r，式中K是彈性剛度矩陣，Δu是位移向量，F是施加的載荷向量，R是內部節點載荷向量，r是殘差。
為了求解非線性方程組，可以采用迭代方法。最常用的迭代方法之一是共軛梯度法，其迭代公式為：u(k+1)=u(k) + α(k)pk，α(k)=(rk ? rk) / (pk ? Kpk)。共軛梯度法的優點是可以通過一系列矩陣乘法獲得解，并且不需要分解剛度矩陣。
常用的迭代方法是牛頓-拉夫森法，在該方法中，結構分析需要滿足平衡條件，并使用牛頓-拉夫森方程組來求解位移向量。這個方程組包含了剛度矩陣K的依賴關系，并通過迭代來獲得近似解。
數值模擬通過采用迭代方法來解決屈服螺栓的非線性問題，以揭示偏載對其性能的影響。這種方法可以更全面地理解屈服螺栓在高應力巷道中的行為，并有助于巷道支護的設計與優化。
在屈服螺栓的數值模擬中，涉及到多種接觸情況，包括尼龍墊片、金屬墊片、屈服管和板之間的接觸。在處理接觸時，如果從節點穿透主元件表面，則需要施加法向接觸力Fs，其大小由剛度因子ki決定。
剛度因子的計算基于接觸剛度的比例因子f、接觸元件的體積模量Ki、主元件表面積Ai以及主元件的體積Vi。接觸力Fs施加在從節點ns上，同時根據牛頓第三定律，反作用力-Fs作用在主元件表面的接觸點c上。通過等效分配，將接觸力在主單元上的節點上施加。
需要計算切向接觸摩擦力。假設法向接觸力為Fs，摩擦系數為μ，則最大摩擦力為F*=μ|Fs|。根據上一次的接觸摩擦力Fn，在當前時刻的摩擦力F可以通過計算得到，不同情況，決定接觸摩擦力Fn+1為F或Fs。這樣就考慮了接觸表面的摩擦效應。
屈服螺栓的數值模擬包括幾個步驟，如幾何建模、材料選擇、網格生成、接觸定義、邊界條件應用、求解和后處理。在模型中應用了對稱性來減少計算量。各組件的本構模型根據材料進行選擇，并且為了定義接觸關系，有多對接觸關系需要考慮。
接著進行網格生成，根據幾何體的曲率和接觸關系設置網格尺寸。邊界條件包括對稱約束和固定底部。通過非線性求解器進行模型求解，并提取所需結果。
為了模擬錨桿在屈服管上的拉力作用，還增加了剛性平面，并通過調整剛性面角度來分析偏載對預應力屈服螺栓性能的影響。控制剛性面的傾角在0°到5°之間，以模擬孔斜的情況。主要關注屈服管的四個性能指標：位移-載荷關系、效率、部件的塑性應變和吸收的能量。
位移-載荷關系用于確定屈服螺栓的屈服點和屈服量，這些參數對選擇適合的預應力屈服螺栓很重要。通過后處理軟件Patran，可以提取位移-載荷關系。
當偏心載荷偏離中心線分別為0°、3°和5°時，屈服管的一半屈服點分別為80.9 kN、90.1 kN和97.0 kN。全管對應的屈服點分別為161.8 kN、180.2 kN和194 kN，對應的位移分別為1.42 mm、7.81 mm和8.96 mm。
隨著偏心載荷的增加，管道的屈服點和位移也增加。這可以通過來解釋。在偏心載荷為0°時，剛性面的擠壓使管材整體應力分布均勻，整體材料上存在載荷。而在偏心載荷為3°和5°時，管道應力從一側向整體擴散，導致屈服點位移增大。
當偏心載荷為0°、3°和5°時，管道的屈服量分別為31.2 mm、23.5 mm和21 mm。隨著偏心載荷的增加，屈服量也增加。
為了進一步研究偏心載荷與屈服管關鍵參數之間的關系，在0°~5°的偏心載荷范圍內記錄了屈服點、位移和屈服量，并整理成表格。
利用率表示屈服管道能夠均勻承受載荷的程度。高利用率意味著管材膨脹均勻，低利用率意味著出現局部變形甚至失效。
利用率可以通過管道的馮米塞斯應力分布特征來反映。從偏心載荷作用下，von Mises應力集中出現在位移初期，而von Mises應力均勻分布則出現在位移后期。提取了變形量為2mm和10mm時的von Mises應力。
當偏心載荷為0°時，von Mises應力在屈服管道內均勻分布。當偏心載荷偏離中心線3°和5°時，von Mises應力集中在屈服管道的右側。
偏心載荷會影響屈服管在變形初期的利用率。當偏心載荷與中心線重合時，von Mises應力集中在500至550 MPa之間。當偏心載荷為3°和5°時，von Mises應力在50至550 MPa之間波動，表明偏心載荷對變形初期屈服管道的利用率有影響。
在各種偏心載荷下，von Mises應力分布均勻，表明變形后期屈服管的利用率較高。0b中，von Mises應力集中在500~550 MPa之間，表明偏心載荷對屈服管道利用率的影響較小。
在偏心載荷為3°和5°時，當位移在0~2 mm范圍內，von Mises應力的平均相對誤差較大，導致管內應力不均勻，利用率較低。當位移在5至24 mm之間時，平均相對誤差在4%以內，表明應力分布較均勻，利用率較高。
螺栓組件的von Mises應力集中在不同位移下的屈服管內，而其他部件基本處于彈性階段。塑性應變分布特征在位移初期受偏載影響較大，而在位移后期，偏載主要集中在屈服管的中部。
偏心載荷在位移初期會影響螺栓組件的塑性應變分布特性，而在位移后期則對其影響可以忽略不計。
對于預應力屈服螺栓的性能評估，吸收能量是一個重要的指標。在高應力、大變形的巷道中，圍巖在變形過程中會釋放能量，而預應力屈服管則會吸收部分變形能。通過C++編程計算了單元內吸收的彈性能和塑性能，并得到了屈服管道吸收的總能量。
在屈服過程中，當偏心載荷為0°、3°和5°時，屈服管一半吸收的能量分別為2021、1894和1863 J。偏心載荷會導致屈服管的吸收能力減弱，吸收的能量減少。隨著偏心載荷的增加，吸收的能量減少的趨勢持續，基本上不超過10%。
在位移初始階段，當偏心載荷為0°時，屈服管吸收的能量比偏心載荷為3°和5°時要大。在位移后期，情況相反，偏心載荷為0°時吸收的能量比偏心載荷為3°和5°時要少。
偏心載荷會在初始變形階段影響屈服螺栓的利用率，但在后期變形過程中，這種影響可以忽略不計。在后期階段，偏心載荷主要影響屈服螺栓的位移-載荷關系，主要體現在屈服點的值及其相應的位移和屈服量上。
使用了屈服螺栓。設計要求是屈服點大于150kN，屈服量大于25mm。根據“’’選用了MSGLW-500/20(RY)系列屈服螺栓，其屈服點為160 kN，屈服量為25 mm，可以滿足設計要求。現場井斜在3°至5°之間。
當井斜在3°～5°之間時，屈服點應該在180.2～194.0 kN之間，屈服量應該在21.0至23.5毫米之間。本例中的屈服量由于井斜問題無法滿足設計要求。
為了解決這個問題，現場通過調整井斜來控制屈服量和屈服點。根據偏心載荷對屈服螺栓位移-載荷關系的影響規律，屈服量與偏心載荷之間存在如下關系：L2=-2.0229θ + 30.224。偏心載荷被控制在0°至2.5°之間。
首先使用數值模擬的方法建立了屈服螺栓的數值分析模型。然后詳細分析了偏心載荷對位移-載荷關系、屈服管的利用率、螺栓構件的塑性應變以及屈服管吸收能力的影響。
偏心載荷在位移初始階段對屈服管的利用率、螺栓構件的塑性應變和吸收能力有一定的影響，但在后期的變形過程中這些影響可以忽略不計。偏心載荷主要影響屈服螺栓的位移-載荷關系。隨著偏心載荷的增加，屈服點及其相應的位移呈線性增加，而屈服量則線性減少。