Simcenter Testlab NVHシミュレーターで車両開発プロセスをデジタル化 〜仮想走行によるNVH開発の変革〜｜ Siemens
中国の新興電気自動車メーカーは、新車モデルをコンセプトから量産まで従来メーカーの2倍の速さで実現してしています。これはマッキンゼー・アンド・カンパニーが世界で最も成長が速く競争の激しい自動車市場について発表した最近の報告書における衝撃的な結論です。ご想像の通り、世界中の自動車メーカーは、こうした新規参入企業に追いつくために開発プロセスの効率化を迫られるという大きなプレッシャーに直面しています。
中国の新規電気自動車メーカーは、従来メーカーの2倍の速さで新型車両をコンセプトから量産段階へ移行させている。出典：McKinsey & Company。
ここで疑問が生まれます、彼らはどのようにそれを実現しているのでしょうか？報告書によると、新興電気自動車メーカーが他社との差別化を図る最も効果的な方法は、NVHシミュレータを活用し、シミュレーションソフトウェアと仮想プロトタイプの使用をテストプロセスで増やすことで、時間とコストがかかる物理的なプロトタイプ試験を排除することです。
中国の自動車メーカーは、テストの65％にソフトウェアシミュレーションと仮想プロトタイプを活用しており、これに対し他地域では40～50％に留まっています。仮想テストの活用を最大化すれば、必要な物理プロトタイプの数を半減できると推定されます。
物理プロトタイプの数が減少する中、NVHシミュレータは、NVHエンジニアが仮想運転体験を用いて車両開発タスクを実行するための効率的で拡張性のあるソリューションを提供します。Simcenter Testlabで新たに提供開始したSimcenter Testlab NVHシミュレーターソリューションを活用すれば、こうした仮想運転体験を構築できることをご存知でしょうか？さらに優れた点は、NVHモデル作成からNVH性能合成までのエンドツーエンドのワークフロー全体が、柔軟でコスト効率に優れたトークンベースのライセンスで利用可能であることです。この記事では、NVHシミュレーターのワークフローを解説し、車両開発プロセスをデジタル化する実践的な事例をご紹介します。
Simcenter Testlab NVHシミュレーターは、仮想運転体験に基づく、より効率的で拡張性の高いNVH開発プロセスを実現します。
1. NVH性能をモデル化する
NVHシミュレータの基盤となる構成要素は、車両のNVH目標値（例：運転者／乗客の耳）に対する構成要素の寄与度（例：路面／風切り音）を含むNVHモデルです。開発段階に応じて、以下に詳述するトップダウン手法またはボトムアップ手法のいずれかを用いて、このようなNVHモデルを取得できます。
車両のNVH目標に対する部品寄与度のNVHモデルは、トップダウンまたはボトムアップ手法のいずれかを用いて取得できます。
トップダウン手法
トップダウンNVHモデルは、フィルタリング技術を用いて実車（プロトタイプまたはベンチマーク車両）で測定された車両全体のNVH特性を構成要素の寄与度へ分解することで得られます。この分解は、得られるNVHモデルの望ましい粒度に応じて、2つの「レベル」で適用可能です。
レベル1分解では、運転用RPM信号と車速信号を用いて、車両全体のNVH特性をパワートレイン固有振動数と広帯域背景騒音に分離します。これによって、計測機器の使用を最小限に抑えながら、粗いNVHモデルを迅速に取得できます。
レベル1分解は、限られた計測機器で粗いNVHモデルを迅速に取得する手法です。
レベル2分解では、動作基準センサー信号を用いて相関フィルタリングにより車両全体のNVH特性を構成要素ごとの寄与度へ分解します。これは、より高度な計測努力を要する代わりに、詳細なNVHモデルを取得するための深層的な手法です。
レベル2分解は、より高度な計測作業を要する代わりに、粒度の細かいNVHモデルを得るための詳細な手法である。
レベル1およびレベル2の分解は、Simcenter Testlab Process Designerで容易に実行できます。グラフィカルプログラミングインターフェースにより、カスタマイズされた処理フローを構築し、データ検証や選択などの反復タスクを自動化できるため、複数の運転条件にわたる迅速なバッチ処理が可能となります。
レベル1およびレベル2の分解は、Simcenter Testlab Process Designerで容易に実行できます。
ボトムアップ手法
ボトムアップNVHモデルは、部品の寄与を直接測定またはシミュレーションすることで得られます。直接測定は通常、風洞試験で車両の風切り音性能を測定するなど、専用の試験装置で行われます。
NVHシミュレーターの特徴は、Simcenter Testlab Virtual Prototype Assemblyとの連携により、ハイブリッド仮想プロトタイプを用いたボトムアップNVHモデルの予測を可能とする点です。この強力な連携により、NVH試験技術者とCAE技術者は、仮想運転体験を通じて部品設計を迅速に検討し、車両への影響を検証できます。
Simcenter Testlab Virtual Prototype Assemblyでは、ハイブリッド仮想プロトタイプを用いてボトムアップNVHモデルを予測できます。
2. 仮想プロトタイプを体験する
NVHシミュレーターで仮想走行体験を作成するには、まず事前に取得したNVHモデルを用いて仮想車両トポロジーを組み立てます。その後、オフラインモードまたはオンラインモードのいずれかで、各NVHモデルに適切な運転条件を適用することで、仮想車両トポロジーのNVH性能を合成します。
オフラインモードでは、テストトラック走行中にデジタルバスで計測された運転回転数や車速などの固定運転プロファイルに基づいてNVH性能を合成します。このモードは、主観的再現と客観的KPI指標を用いたトポロジー間の再現性のあるA-B比較に有用です。
オンラインモードでは、NVH性能合成はリアルタイム運転条件（例：ドライバーからのスロットル位置・ギア選択入力を受け取る車両性能モデル）に基づきます。このモードは、トポロジーのインタラクティブな体験やNVHモデル寄与度の修正に有用です。
仮想車両トポロジーのNVH性能は、Simcenter Testlab NVHシミュレータにおいて、各NVHモデルに関連する運転条件を適用することで合成される。
ケーススタディ：ファイアウォールトリムの最適化
これらすべてがどのように組み合わさって車両NVH開発プロセスをデジタル化するのでしょうか？ NVHシミュレーターを用いたファイアウォールトリム厚さの最適化に関するケーススタディをご紹介します。
ファイアウォールトリム厚の選択肢を迅速に検討するため、ボディキャビティ有限要素モデルを用いて、各厚さ値におけるパワートレインの空気伝播負荷に対するキャビンの音響感度をシミュレーションしました。実際の空気伝播パワートレイン負荷は、関連する全運転条件において、試験台上で空気伝播音源定量化（ASQ）を用いて推定されました。
ファイアーウォールのトリム厚さを増やすと、750～1650Hzの周波数帯域におけるキャビンの音響感度が低下します。この設計変更は、実際の走行時のキャビン音響にどのような影響を与えるでしょうか？
シミュレーションによるキャビン感度と実測の空力パワートレイン負荷をハイブリッド仮想プロトタイプで統合し、仮想プロトタイプ組立工程において各防火壁バリエーション向けのボトムアップ型パワートレイン騒音NVHモデルを予測しました。
しかしながら、パワートレイン騒音は単独で存在するものではない。従って、ベンチマーク車両に対してレベル1分解も適用し、道路騒音および風切り騒音の寄与によるマスキング効果を研究するためのトップダウン型背景騒音NVHモデルを取得しました。
ボトムアップ方式のパワートレインNVHモデルは仮想プロトタイプ組立を用いて予測され、トップダウン方式のマスキングノイズNVHモデルは分解技術を用いてベンチマーク車両上で測定されました。
ファイアーウォールバリエーションについて、仮想車両トポロジーをNVHシミュレーターで構築した。各トポロジーのNVH性能は、ベンチマーク車両のテストコース走行時に測定された実走行条件を用いてオフラインモードで合成されました。
まず合成結果を再生し、防火壁バリエーションを主観的に比較した。ファイアーウォールの厚さを増加させると、パワートレインのトナリティが顕著に改善されることが確認できます。
最後に、ファイアウォールのバリエーションをProcess Designerで音響品質指標を計算することで客観的に比較しました。その結果、ファイアウォールの厚みを増すことで主にパワートレインの最高次高調波周波数帯域における音質が改善される一方、最低次高調波周波数帯域には影響がないことが明らかになりました。
これらの結果は、あらゆる種類のファイアウォールに容易に拡張可能であり、パワートレインのトナリティと製造コスト、車両重量の最適なバランスを実現するトリム厚の最適値を見出すことができます。
防火壁の厚さを増すことで、主に最高次数のパワートレイン周波数帯域における音質が向上し、最低次数のパワートレイン周波数帯域には影響を与えません。