兰斌旋　常光宝　李书阳　梁静强

【摘 要】针对NVH动刚度及传函分析后处理工作重复操作多、耗费时间过长的情况，文章提出了基于C#.NET开发软件提高后处理效率的解决方案。通过分析后处理需求，使用C#作为开发语言、visual studio 2012作为开发工具完成软件开发。通过测试，开发的后处理软件能够在1 min内快速地完成原先需数小时的后处理工作。通过软件开发可以实现动刚度及传函分析后处理自动化，达到缩短分析周期和提升工作效率的目的。

【关键词】NVH后处理；C#.NET；动刚度；噪声传函；振动传函

【中图分类号】TP311.11 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）02-0100-05

0 引言

随着用户对汽车噪声、振动和舒适性方面的性能要求越来越高，车企对NVH分析的重视度也随之提高[1-2]。CAE分析流程可以分为3个阶段：前处理、分析计算、后处理。其中，后处理是对分析结算结果进行分析、整理、归纳的过程。后处理存在很多重复性劳动，浪费大量时间，分析效率低下，常占整个CAE分析工作量比重的20%～40%，甚至更多。计算结果通常是一堆海量的数据，很难直观地理解数据代表的意义，通常需要接触类似Hyperview等后处理软件进行结果的整理和显示[3-4]。不少企业常通过Hyperworks、ABAQus等CAE软件平台进行二次开发，实现分析结果后处理的自动化[5-6]。

NVH分析属于CAE分析范畴，但相比较于其他CAE分析，后处理工作量往往要大很多，特别是NVH中的动刚度分析和传函分析。通过解析分析计算结果数据结构和后处理需求，本文提出了不借助CAE平台二次开发，而是基于C#.NET技术开发软件来实现后处理自动化的解决方案。

1 分析后处理需求分析

1.1 计算结果数据结构分析

动刚度及传函分析经过Radioss、Nastran等计算软件计算后一般得到的是“.pch”格式的数据结果，数据可通过文本编辑器打开。频响类分析计算结果为各工况下，不同响应点在不同频率激励下的响应值的集合。图1为打开某个结果文件的截图，通过分析可以清晰地看到结果文件的规律性。

（1）数据按照工况ID和响应点ID组合进行分组（图1中第1—1207行为一组数据）。

（2）每组数据前7行表明了工况ID、响应点ID、数据类型等信息。

（3）每组数据第8行开始到结尾为各频率下的响应值（图1中第8—1207行为300个频率值对应的300组响应数值）。

（4）输出的响应值类型有位移、加速度、速度3种。

因此，计算结果其实就是在工况、响应点、频率3个影响因子下的响应值集合。

1.2 分析后处理[7-8]

动刚度分析、振动传函分析、噪声传函分析是常见的整车NVH分析，本文将对这3种分析后处理做需求分析并实现软件设计。

1.2.1 动刚度分析

对于线性系统，用施加在系统上的力除以位移，即得到刚度。刚度是系统的固有特征，与外界施加力和响应没有关系，即静止状态就存在，所以称之为“静刚度”。在外力作用下，系统运动起来，其刚度特性随着输入的频率而发生变化。此时，刚度是随着频率而变化的，它不是一个固定值，此时的刚度称为动刚度。动刚度取决于系统的质量、阻尼和静刚度。

动刚度结果后处理要求：运用1/3倍频法获取所有响应点的动刚度值；输出所有响应点的频率响应曲线。

1.2.2 振动传函和噪声传函分析

对于任何一个系统，施加了输入，就会得到输出。输入常被称为激励，输出被称为响应。对于一个动态结构系统或声学系统，输入信号和输出信号都是频率的函数。传递函数定义为输出信号与输入信号的比值，也是频率的函数，它表征了动态系统的固有特征，即每个动态系统都存在传递函数。

振动传递函数，简称VTF，是指车内振动响应与车身上受到激励力的比值。噪声传递函数，简称NTF，是值车内噪声相应与车身上受激励力的比值。声学上常用对数坐标衡量声压，以声压级SPL表示：

SPL=20Log（位移响应值×1011/2）dB

传函分析结果后处理要求：所有工况下，各响应点在指定频率范围内的传函极大值及对应的频率。所有工况下，各响应点的频率响应曲线。其中，振动函数极大值从响应点速度值集合中取值；而噪声传函极大值从响应点位移值集合中取值，且数值需通过声压级函数转换。

2 主要实现技术

2.1 C#.NET

C#是一种精确、简单、类型安全、面向对象的语言，它使企业程序员得以构建广泛的应用程序。C#还凭借以下功能，提供了生成持久系统级组件的能力[9]。

.NET框架类库是一个由Miscrosoft.NET框架SDK中包含的类、接口和值类型组成的库。该库提供对系统功能的访问，并且被设计为NET框架应用程序、组建和控件的生成基础。若要使用接口的功能，既可以创建实现接口的类，也可以从某个实现接口的.NET框架类中派生类。

2.2 NPOI

所谓NPOI是POI项目的.NET版本，可以从网上下载到它的最新版本[10]。NPOI的功能非常强大，不仅能创建Excel文件，而且能更深入地执行Excel文件的各种操作[11]。

3 软件设计

3.1 框架设计

软件框架设计图如图2所示。其中，NVH类库为软件开发成功的核心要素。NVH类库包含了从频响类分析需求中抽象出的点类和后处理方法类。使用NVH类库的好处是它能支持通过B/S模式和C/S模式的软件系统。不管是Web应用程序还是winform应用程序，都能够非常方便地添加NVH类库，通过类库提供的函数接口，即可实现软件后处理的功能。在软件开发设计时，还会经常用到一些通用辅助类和方法，如数据读取类、数据转换类、Excel操作类等。本软件框架通过对通用类（Utils）的引用，可將开发过程中积累的方法快速运用到项目中，提升代码复用。

3.2 抽象出NVH类

根据对需求分析可知，该类计算结果后处理过程大致如图3所示，后处理的过程数据为各类点的数据集合，这些数据集合可以通过C#语言抽象出对应的类，使过程数据结构清晰。

3.2.1 NVH基础点类（BasicPoint）

通过对计算文件分析得知计算结果可以看成是在工况、响应点、频率影响下的点集合，在此称该类点为基础点。通过C#类将基础点抽象为BasicPoint类，代码如下：

public class BasicPoint

{

public int PointIndex { get； set； }//序号，唯一性，用于识别点位置

public string Title { get； set； }//标题，对应PCH文件$TITLE内容

public string SubTitle { get； set； }//工况标题，对应PCH文件$SUBTITLE内容

public string Label { get； set； }//标签，对应PCH文件$LABEL内容

public string Types { get； set； }//数值类型，包括位移、速度、加速度。

public string OutPut { get； set； }//输出类型，对应$MAGNITUDE-PHASE OUTPUT行

public string IncentiveDirection { get； set； }//激励方向，对应$LABEL内容

public string IncentivePointId { get； set； }//激励点Id，对应$LABEL内容

public string SubId { get； set； }//工况Id，对应$SUBCASE ID内容

public string PointId { get； set； }//響应点Id，对应$POINT ID内容

public int Frequency { get； set； }//频率

public double MagTransX { get； set； }//实数X向（或位移）响应值

public double MagTransY { get； set； }//实数Y向响应值

public double MagTransZ { get； set； }//实数Z向响应值

}

3.2.2 频响计算结果类（NVHPoint）

计算结果文件是基础点的集合，因此也相当于是BasicPoint类的集合。一般结果文件至少包括位移、速度和加速度3类响应数据之中的一种，现定义NVHPoint类，该类包括了类型都为BasicPoint的响应点位移值集合、响应点速度值集合、响应点加速度值集合、单个响应点包含的频率总数、加速度响应点数、位移的响应点数、速度的响应点数。通过转换，一个计算结果文件可以等效于一个NVHPoint类实体。NVHPoint类代码如下：

public class NVHPoint

{

public BasicPoint[] AccelerationPoints；//响应点加速度值集合

public BasicPoint[] DisplacementsPoints；//响应点位移值集合

public BasicPoint[] VelocityPoints；//响应点速度值集合

public int PointOfFrequency；//单点包含的频率数

public int NumsOfAccelerationPoints；//加速度的响应点数

public int NumsOfDisplacementsPoints；//位移的响应点数

public int NumsOfVelocityPoints；//速度的响应点数

}

3.2.3 极值点类（MaxorMinPoin）

极大值为某个工况下，相应点在指定频率区间内最大的响应值。该类的设计主要针对噪声传递函数分析和振动传递函数分析。MaxorMinPoint类代码如下。

public class MaxorMinPoint

{

public int PointIndex { get； set； }//序号，唯一性，用于识别点位置

public string IncentiveDirection { get； set； }//激励方向

public string IncentivePointId { get； set； }//激励点Id

public string SubId { get； set； }//工况Id

public string PointId { get； set； }//响应点Id

public double MagTransX { get； set； }//X向（或位移）极值

public double MagTransY { get； set； }//Y向极值

public double MagTransZ { get； set； }//Z向极值

public int IndexX { get； set； }//X向（或位移）极值对应频率

public int IndexY { get； set； }//Y向极值对应频率

public int IndexZ { get； set； }//Z向极值对应频率

public int Begin { get； set； }//取极值频率区间的开始频率

public int End { get； set； }//取极值频率区间的结束频率

}

3.2.4 动刚度值点类（DyPoint）

该类的设计主要针对动刚度分析，以便于结果的输出。DyPoint类代码如下。

public class DyPoint

{

public string PointId { get； set； }//响应点Id

public double Frequency { get； set； }//频率

public double Xvalue { get； set； }//X向动刚度值

public double Yvalue { get； set； }//Y向动刚度值

public double Zvalue { get； set； }//Z向动刚度值

}

3.3 Npoi实现数据导出

3.3.1 NPOI定义单元格颜色的方法

ICellStyle red = hssfworkbook.CreateCellStyle（）；//创建单元格样式

red.FillForegroundColor = HSSFColor.Red.Index；//设置单元格颜色

red.FillPattern = FillPattern.SolidForeground；//设置单元格填充类型

red.DataFormat = HSSFDataFormat.GetBuiltinFormat（"0.00"）；

NpoiUtil.GetSafeCell（1， 1）.CellStyle = red；

3.3.2 输出NTF结果的实现

FileStream file = new FileStream（NtfPath，FileMode.Open，FileAccess.Read）；

HSSFWorkbook hf= new HSSFWorkbook（file）；

ISheet sheet = hf.GetSheetAt（0）； //NTF模版的读取

IRow row = sheet.GetRow（1）；

double NtfValue = 20*Math.Log10（MaxOutput[i].MagTransX *100000000000 / 2）；

NpoiUtil.GetSafeCell（row，1）.SetCellValue（NtfValue）； // NTF结果填入特定单元格

sheet.ForceFormulaRecalculation = true；

NpoiUtil.WriteToFile（NewPath，hf）； //保存NTF结果文件

3.4 搭建Web测试环境

当NVH类库项目完成开发后，可通过Web程序或者Winform程序调用NVH类库来实现相关分析的后处理。为了便于测试，本文通过搭建一个Web程序进行测试。

4 软件后处理测试

测试软件已经实现了NTF（噪声传函）分析、VTF（振动传函）分析、动刚度分析后处理，考虑篇幅，下文仅通过NTF做举例。

4.1 NTF后处理

噪声传递函数（NTF）分析后处理为Web界面。如图4所示，可通过Web界面选择待处理文件，再设定极大值取值的频率区间、预警值和超标值，再点“开始处理”按钮，程序就开始进行后处理了。后处理完成后，将生成NTF结果文件和数据曲线文件。

分别打开生成的2个文件，图5左侧为NTF响应值数据，其中深阴影数据表示响应值超过最大目标值，浅阴影数据表示响应值超过预警值；图5右侧为9000002响应点在工况1、工况2、工况3下的曲线图。

4.2 软件后处理效率分析

通过使用后处理软件进行后处理花费用时进行测试，后处理用时不到1 min。人工处理和软件后处理平均用时的对比情况如下。

（1）动刚度后处理：人工约1.5 h，软件为11 s，软件用时是人工用时的1/540。

（2）噪声传函后处理：人工约5 h，软件为52 s，软件用时是人工用时的1/360。

（3）振动传函后处理：人工约15 h，软件为45 s，软件用时是人工用时的1/1230。

可见，软件后处理效率惊人，可大大缩短分析周期。

5 结论

NVH分析后处理工作量非常巨大，提升后处理效率已经是缩短CAE分析周期的关键要素。本文通过C#.Net编程技术，提出了软件设计和解决方案。

（1）所有频响类分析计算结果的数据结构是一致的，可以看成是某工况某频率下响应点的响应值集合；通过C#类可以将数据结构表达出来。

（2）NPOI導出Excel格式数据文件的功能很强大，使用也方便。

（3）软件实现后处理的效率远远高于人工处理。

（4）频响类分析后处理通过软件完成，不仅能够加快工作进度，保证时间节点，还能降低工程师的工作负荷，使他们有更多的时间和精力集中于方案的设计和优化上，达到提升方案质量和数量的目的。

（5）软件后处理可以避免人工在重复性工作过程中犯错的情况，从而保证结果的准确性。

参 考 文 献

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[4]王芬芳.基于ASP的远程CAE后处理系统的研究与实现[D].南宁：广西大学，2006.

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[责任编辑：陈泽琦]