基于傳遞路徑分析的乘用車車內(nèi)噪聲數(shù)值模擬

李華良，熊卉，萬攀，韋鈺芳，郭釗

（1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所，湖北 武漢 430064；2. 武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

基于傳遞路徑分析的乘用車車內(nèi)噪聲數(shù)值模擬

李華良1，熊卉2，萬攀2，韋鈺芳2，郭釗2

（1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所，湖北 武漢 430064；2. 武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

本文利用傳遞路徑分析(TPA)方法對某一新型轎車進(jìn)行輪胎引起的車內(nèi)噪聲分析，首先運用TPA方法擬合測試數(shù)據(jù)以求出路面對輪胎的輪心激勵值，再將該值加載到CAE模型內(nèi)進(jìn)行數(shù)值模擬，計算車內(nèi)噪聲。數(shù)值模擬計算中發(fā)現(xiàn)乘用車后軸對整車噪聲的貢獻(xiàn)大于前軸，說明需要對乘用車的后軸進(jìn)行改進(jìn)；比較數(shù)值模擬結(jié)果與路面噪聲的實際測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)分析誤差可接受，完全可以反映出車輛車內(nèi)噪聲特性，驗證了傳遞路徑分析方法在車內(nèi)噪聲分析中的適用性和準(zhǔn)確性。

車內(nèi)噪聲；乘用車；數(shù)值模擬；傳遞路徑分析

CLC NO.:U467.4Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-87-04

引言

汽車車內(nèi)噪聲的水平是體現(xiàn)汽車品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，為了滿足客戶需求，提高汽車檔次并在市場競爭中占得先機(jī)，世界各大汽車廠商已經(jīng)把降低車內(nèi)噪聲作為重要的研究方向。車內(nèi)噪聲主要來自于發(fā)動機(jī)、氣流、車體振動、懸架系統(tǒng)及其他零部件等5個方面，其中輪胎已成為主要噪聲源:路面對輪胎的激勵力通過懸架系統(tǒng)傳遞到車身，引起車體振動，從而向車內(nèi)輻射噪聲[1]。在汽車設(shè)計階段中分析預(yù)測輪胎引起的車內(nèi)噪聲場并改進(jìn)車體聲學(xué)設(shè)計，從而滿足車輛噪聲性能目標(biāo)，對于縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本具有重要意義[2]。已有車內(nèi)噪聲分析研究中，由于輪胎模態(tài)不能很好的在有限元中進(jìn)行數(shù)值模擬，因此現(xiàn)有研究基本是通過測試手段分析及優(yōu)化車內(nèi)噪聲[3,4]。鑒于此，本文從實際應(yīng)用的角度，詳細(xì)介紹如何利用傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，簡稱TPA）方法將輪胎用試驗載荷替代，以此進(jìn)行整車路面噪聲的數(shù)值模擬分析，并通過比較數(shù)值模擬模擬結(jié)果和路面噪聲的實際測試數(shù)據(jù)來驗證此方法的有效性。

1、傳遞路徑分析基本理論

TPA（傳遞路徑分析）原理[5]如圖1所示，對于結(jié)構(gòu)傳遞的噪聲，每個路徑的貢獻(xiàn)等于該路徑的輸入點到輸出點的傳遞函數(shù)乘以輸入點上所受實際激勵，各個路徑的矢量和疊加到一起構(gòu)成總的響應(yīng):假設(shè)一輛乘用車受m個激勵力作用，每一個激勵力都有x,y,z三個方向分量，每個激勵力分量都對應(yīng)n個傳遞路徑，那么這個激勵力分量對應(yīng)的某個傳遞路徑就產(chǎn)生了一個系統(tǒng)的相應(yīng)分量。下圖的公式中P為響應(yīng)，H為傳遞函數(shù)，f為激勵值。在測試過程中得到總的響應(yīng)P及傳遞函數(shù)H后，采用逆矩陣方法即可得到激勵力f。

2、實車的TPA全模型分析

本次車內(nèi)噪聲分析針對某一新型轎車分為測試和數(shù)值模擬兩部分，其中測試又分為室內(nèi)測試和室外測試。室內(nèi)測試測定車輛靜止不動時，4個輪胎受到力錘激勵后的傳遞函數(shù)；室外測試測定車輛在路面上跑動時，4個輪胎的響應(yīng)以及此時車內(nèi)的噪聲分貝。運用TPA原理擬合4個輪胎的傳遞函數(shù)和響應(yīng)即可得到輪心受力值，將該值加載到CAE模型內(nèi)計算路面噪聲，通過對比模擬結(jié)果與實際測試結(jié)果驗證TPA方法的正確性，并通過實車的CAE全模型分析，尋找對車內(nèi)噪聲起主導(dǎo)性的環(huán)節(jié)，通過控制這些環(huán)節(jié)，降低由路面激勵產(chǎn)生的車內(nèi)噪聲。

這里之所以采用間接測試的方法，而不是以貼應(yīng)變片去直接測力是因為在目前的技術(shù)和試驗條件下得到的力只能應(yīng)用于疲勞分析，而對于需要更高頻率結(jié)果的NVH分析是不適用的[7]。

2.1 室內(nèi)傳遞函數(shù)測試

室內(nèi)測試?yán)碚撋闲柙谌虬胂暿抑羞M(jìn)行，本文中的室內(nèi)測試在工廠中進(jìn)行。測試時拆除試驗車輛輪胎，試驗車輛通過懸置部件支撐，支撐點在制動盤或制動鼓正下方位置，保證所有懸架部件的方向和導(dǎo)向跟整車狀態(tài)時一致，以模擬整車懸架作用狀，整車和懸置部件通過橡膠隔振隔絕。本測試主要是識別輪心銷軸的傳遞函數(shù)，因此選取靠近銷軸中心且剛度較大的位置粘貼4個三向加速度傳感器，位置的選取如圖2所示。

由于實際測試時車輪中心處不可能直接激勵，因此在車輪中心周圍粘貼鋁塊，通過測試鋁塊到加速度感應(yīng)器的傳遞函數(shù)，計算車輪中心處到加速度感應(yīng)器的傳遞函數(shù)。鋁塊粘貼的位置選取如圖3所示。

按照上述傳遞函數(shù)測試方案對新型轎車進(jìn)行操作，將加速度感應(yīng)器測得的數(shù)據(jù)輸入LMS Virtual. Lab傳遞路徑分析軟件即可得到所有鋁塊到各個車輪加速度感應(yīng)器的傳遞函數(shù)，并最終簡化為4個輪心到所有加速度感應(yīng)器的傳遞函數(shù)。圖4所示為轎車左前輪輪心點到16個加速度傳感器的傳遞函數(shù)示意圖。

2.2 室外響應(yīng)和噪聲測試

室外測試在一條長800m的粗糙道路上進(jìn)行，路面情況如圖5所示。汽車的行駛速度在60～70km/h之間。

為求取汽車行駛時輪胎的響應(yīng)P，在4個車輪上布置三向加速度傳感器，粘貼位置的選取和室內(nèi)測試時相同；為測定汽車行駛時的車內(nèi)的噪聲分貝，在4個座椅上分別布置麥克風(fēng)，麥克風(fēng)位置的選取如圖6所示。4個麥克風(fēng)測定的車內(nèi)噪聲分貝曲線如圖7所示，后排麥克風(fēng)的噪聲曲線在激勵頻率為104Hz和228Hz時有峰值。

2.3 TPA方法求輪心激勵力

根據(jù)圖1所示的TPA原理，在室內(nèi)傳遞函數(shù)測試中已得到傳遞函數(shù)H，在室外響應(yīng)測試中已經(jīng)得到響應(yīng)P，運用LMS Virtual. Lab中TPA模塊的逆矩陣法即可求解路面對輪心激勵力F，LMS Virtual. Lab軟件可以預(yù)測和評價車身在激勵力下的振動噪聲響應(yīng)，并能從實物試驗數(shù)據(jù)中確定工作載荷，屬于汽車NVH分析常用軟件。圖8所示為求解出的左前輪和左后輪輪心激勵力，由圖可看出路面對后軸的激勵力明顯大于前軸。

2.4 數(shù)值模擬

汽車路面噪聲的數(shù)值模擬計算采用美國Altair公司的CAE應(yīng)用軟件包Hypermesh[8]，CAE模型是用聲腔模型加TB(Trimed-body)模型建立起來的，聲腔模型和TB模型如圖9所示，CAE模型中包含有發(fā)動機(jī)、底盤、車身及其附件，其中底盤模型又包含車橋與前后懸架等。

將上述求解出的輪心激勵力F加載到CAE模型中，可計算出乘用車中4個麥克風(fēng)的噪聲曲線，圖9所示為加載左前輪輸出的麥克風(fēng)噪聲曲線。擬合所有激勵力的曲線即可得到最終的車內(nèi)噪聲曲線。

數(shù)值計算得到的整車車內(nèi)噪聲1/3倍頻程曲線如圖11所示，從圖上可以看出后軸對整車噪聲的貢獻(xiàn)大于前軸，說明需要對乘用車的后軸部分進(jìn)行改進(jìn)。

2.5 結(jié)果對比

試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比的曲線示意圖和1/3倍頻程曲線如圖12和圖13所示，數(shù)值模擬得到的路面噪聲結(jié)果和實際測試結(jié)果相差不大，噪聲曲線波峰和波谷對應(yīng)的激勵頻率大致相似，部分存在少數(shù)延遲。室內(nèi)測試時的測試環(huán)境未達(dá)標(biāo)造成測定的傳遞函數(shù)H本身存在一些誤差；同時室外測試時的路面不夠粗糙，未能激振起車身所有的模態(tài)[9]，影響了作為檢驗標(biāo)準(zhǔn)的車內(nèi)噪聲測試數(shù)據(jù)的精確度；然而整體的分析誤差仍在可接受范圍之內(nèi)，說明基于測試和數(shù)值模擬的混合模型完全可以實現(xiàn)輪胎引起的車內(nèi)噪聲的數(shù)值模擬分析，簡化汽車車內(nèi)噪聲改進(jìn)過程。該模型將測試-車身優(yōu)化-測試的步驟簡化為測試-CAE優(yōu)化，對于縮短汽車開發(fā)周期和降低開發(fā)成本具有重要意義。

3、結(jié)論

本文利用傳遞路徑分析方法對某一新型乘用車進(jìn)行車內(nèi)噪聲數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)乘用車后軸對整車噪聲的貢獻(xiàn)大于前軸，說明需要對乘用車的后軸部分進(jìn)行改進(jìn)。

本文將傳遞路徑分析方法分析車內(nèi)噪聲的結(jié)果與車內(nèi)噪聲的實際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)分析誤差可接受，完全可以反映出車輛車內(nèi)噪聲特性，驗證了該方法在路面噪聲分析中的適用性和準(zhǔn)確性。

利用傳遞路徑分析將輪胎用試驗載荷替代，進(jìn)行車內(nèi)噪聲數(shù)值模擬的方法簡化了輪胎引起的車內(nèi)噪聲改進(jìn)流程，將測試-車身優(yōu)化-測試的步驟簡化為測試-CAE優(yōu)化，對于縮短汽車開發(fā)周期和降低開發(fā)成本具有重要意義。

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Numerical simulation analysis on vehicle interior noise with Transfer Path Analysis

Li Hualiang1, Xiong Hui2, Wan Pan2, Wei Yufang2, Guo Zhao2
( 1.No.719 Research Institute,CSIC, Hubei Wuhan 430064; 2.School of Mechanical & Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430073 )

In this paper, the transfer analysis (TPA) was used to investigate the interior noise of a passenger car. First, the TPA method was used to fitting the test data to obtain the force value caused by the road on wheel center, and then the value was loaded into the CAE model to calculate interior noise. Numerical simulation shows that the rear axle of car contributions more noise than the front axle, rear axle needed to improvement. The CAE simulation result was compared with the actual test data of the car interior noise, the result shows that analytical error can be accepted which fully reflects the vehicle road noise characteristics and verifies the applicability and accuracy of the hybrid model in the analysis of interior noise.

car interior noise; passenger car; numerical simulation; Transfer Path Analysis

U467.4

A

1671-7988(2015)07-87-04

李華良，就職于中國船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所。