工況載荷下傳遞路徑分析方法

郭世輝，劉振國(guó)，臧秀敏，范一凡，周丹丹（1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心,保定071000；2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，保定071000；.三川電力設(shè)備股份有限公司，保定071000）

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工況載荷下傳遞路徑分析方法

郭世輝1, 2，劉振國(guó)1, 2，臧秀敏3，范一凡1, 2，周丹丹1, 2
（1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心,保定071000；2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，保定071000；3.三川電力設(shè)備股份有限公司，保定071000）

摘要:闡述傳遞路徑分析(TPA)基本原理，通過(guò)對(duì)比幾種主要載荷識(shí)別方法優(yōu)劣，提出綜合利用試驗(yàn)和仿真手段進(jìn)行載荷識(shí)別方法。運(yùn)用該方法進(jìn)行車(chē)內(nèi)噪聲分析，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果證明方法可行性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工況載荷下整車(chē)TPA分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車(chē)輛進(jìn)行優(yōu)化，取得顯著效果。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與波；載荷識(shí)別；TPA；NVH

隨著汽車(chē)工業(yè)發(fā)展和人們對(duì)汽車(chē)舒適性要求提高，車(chē)輛的NVH性能已經(jīng)成為衡量汽車(chē)綜合性能的關(guān)鍵因素之一。如何在車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中更好的控制汽車(chē)NVH性能成為各個(gè)汽車(chē)企業(yè)NVH工作發(fā)展主要方向[1–5]。在汽車(chē)NVH性能分析控制中，基于試驗(yàn)測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果直觀，易于掌握和理解，但在對(duì)性能的優(yōu)化和控制上不足，尤其是車(chē)型開(kāi)發(fā)前期沒(méi)有樣車(chē)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的控制；而基于數(shù)字仿真獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果便于實(shí)現(xiàn)性能的預(yù)測(cè)、修改，方便開(kāi)發(fā)前期的性能控制，但其結(jié)果受模型簡(jiǎn)化及其邊界條件處理方式的影響，如果處理不當(dāng)容易造成較大的誤差。21世紀(jì)以后，人們開(kāi)始不斷嘗試打破試驗(yàn)與數(shù)字仿真間的界限，綜合利用試驗(yàn)和仿真手段進(jìn)行NVH控制[1]。近年來(lái)，傳遞路徑分析方法（Transfer Path Analysis，TPA）成為各大汽車(chē)公司和科研單位主要研究方向之一。傳遞路徑分析方法將試驗(yàn)和仿真有機(jī)結(jié)合在一起，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)路徑上的傳遞特性進(jìn)行研究，以確定各激勵(lì)點(diǎn)及各部件對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。利用傳遞路徑分析方法，工程師可以快速識(shí)別問(wèn)題產(chǎn)生的原因，有的放矢地對(duì)整車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和控制[1]。

1　TPA分析方法

1.1 TPA基本原理

一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)受到一個(gè)外界的激勵(lì)必然會(huì)引起其他部分的響應(yīng)，這種激勵(lì)和響應(yīng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系由系統(tǒng)的傳遞特性確定，系統(tǒng)的傳遞特性就是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。對(duì)于有多個(gè)激勵(lì)的系統(tǒng)，其響應(yīng)是由多個(gè)激勵(lì)對(duì)系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果。TPA的原理就是把響應(yīng)假設(shè)為多個(gè)激勵(lì)通過(guò)不同的傳遞路徑抵達(dá)響應(yīng)位置后疊加作用的結(jié)果。TPA的基本數(shù)學(xué)公式為

對(duì)于噪聲響應(yīng)而言

1.2載荷識(shí)別方法

傳統(tǒng)的TPA主要有兩個(gè)部分的工作，頻響函數(shù)的測(cè)量和載荷識(shí)別。頻響函數(shù)通常可以直接測(cè)量或利用互異性進(jìn)行測(cè)量。載荷識(shí)別的方法很多，目前常用的主要有直接測(cè)量法、動(dòng)剛度法、矩陣求逆法[2,4]。

直接測(cè)量法：

利用力傳感器直接進(jìn)行測(cè)量。此種方法獲取的結(jié)果直觀可靠，但在實(shí)際操作過(guò)程中，力傳感器需要一定的空間和良好的支撐面，這些往往很難實(shí)現(xiàn)。在路面激勵(lì)測(cè)試時(shí)，如果測(cè)量輪軸的受力數(shù)據(jù)，布置傳感器會(huì)破壞原輪輞，使系統(tǒng)本身已經(jīng)發(fā)生變化，得到的力與原系統(tǒng)的力已經(jīng)不同，因此直接測(cè)量法在測(cè)試過(guò)程中并不常用。

動(dòng)剛度法：

動(dòng)剛度法主要應(yīng)用在彈性元件主被動(dòng)端的載荷識(shí)別。這種方法通過(guò)彈性元件兩端的位移差值與彈性元件的動(dòng)剛度的乘積來(lái)求解作用力。其理論上求解方程為

動(dòng)剛度法求解載荷的準(zhǔn)確性依賴(lài)與彈性元件動(dòng)剛度曲線的值，此外利用動(dòng)剛度法求解載荷不可避免要額外增加彈性元件動(dòng)剛度試驗(yàn)。動(dòng)剛度試驗(yàn)依賴(lài)夾具等輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)，且測(cè)試位移與實(shí)際變形無(wú)法一致，導(dǎo)動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果會(huì)有一定偏差，因此方法在實(shí)際中應(yīng)用并不多。

矩陣求逆法：

矩陣求逆法是根據(jù)激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系X = HF，通過(guò)響應(yīng)和激勵(lì)之間的傳遞函數(shù)特性求得激勵(lì)F。

基于矩陣求逆的載荷識(shí)別原理如下：

已知：響應(yīng)X各傳遞路徑Ti上的傳函H；求解：激勵(lì)F

基于逆矩陣的載荷識(shí)別需要對(duì)各點(diǎn)之間的傳函進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試過(guò)程中需要拆除發(fā)動(dòng)機(jī)等主動(dòng)系統(tǒng)，過(guò)程十分繁瑣，耗時(shí)耗力。不過(guò)隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，利用仿真手段代替試驗(yàn)已經(jīng)成為可能。

通過(guò)利用CAE分析傳函代替試驗(yàn)結(jié)果，綜合試驗(yàn)測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)基于矩陣求逆的載荷識(shí)別原理對(duì)工況下的載荷進(jìn)行了分析求解，利用所求得的載荷和分析模型對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲響應(yīng)進(jìn)行TPA分析。

2　工況載荷識(shí)別

2.1工況數(shù)據(jù)采集及處理

根據(jù)主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果，車(chē)輛5檔WOT工況存在轟鳴聲，因此對(duì)該工況進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

噪聲數(shù)據(jù)：在駕駛員右耳，后排乘客左耳位置布置麥克風(fēng)進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)采集，該數(shù)據(jù)用于車(chē)輛噪聲問(wèn)題識(shí)別以及后期對(duì)分析結(jié)果可靠性進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。噪聲頻譜如圖1所示。

圖1　車(chē)內(nèi)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

振動(dòng)數(shù)據(jù)：為了減少矩陣求逆時(shí)病態(tài)矩陣的影響，需要取M≥2N，即振動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不少于激勵(lì)點(diǎn)個(gè)數(shù)的2倍，取M=2N。測(cè)試包括前后副車(chē)架安裝點(diǎn)、變速器懸置、中央支撐等位置的振動(dòng)數(shù)據(jù)。由于測(cè)試點(diǎn)較多，無(wú)法同一次完成所有數(shù)據(jù)采集，需要布置相位參考點(diǎn)，分次進(jìn)行測(cè)量。為保證數(shù)據(jù)一致性，盡可能在相同路段，采用相同的起始速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試。數(shù)據(jù)處理時(shí)采用相同的分辨率，各次測(cè)試結(jié)果分析時(shí)，起止轉(zhuǎn)速選擇盡可能相近。輸出數(shù)據(jù)為各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)頻譜，如圖2所示。

圖2　振動(dòng)數(shù)據(jù)

2.2傳遞函數(shù)分析

利用仿真?zhèn)骱瘮?shù)據(jù)代替試驗(yàn)測(cè)試。利用Hyper Mesh建立Trim Body模型，模型包含白車(chē)身、開(kāi)閉件、電器件、內(nèi)飾件、外飾件等系統(tǒng)；利用Nastran進(jìn)行模態(tài)求解，求解頻率為0～300 Hz，為減少分析誤差設(shè)置模態(tài)補(bǔ)償；利用Virtual Lab進(jìn)行VTF分析，求解范圍為20 Hz～200 Hz，部分結(jié)果如圖3所示。

圖3　VTF結(jié)果

2.3載荷求解

綜合工況振動(dòng)數(shù)據(jù)和仿真VTF結(jié)果，利用矩陣求逆原理對(duì)工況載荷進(jìn)行分析求解。為保證分組測(cè)試的數(shù)據(jù)都能識(shí)別，并控制誤差，需要合理設(shè)置轉(zhuǎn)速容差，轉(zhuǎn)速容差取為10轉(zhuǎn)。在矩陣求逆過(guò)程中，小的干擾信號(hào)會(huì)被放大。因此需要對(duì)無(wú)用數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)要避免過(guò)濾的數(shù)據(jù)過(guò)多，導(dǎo)致信號(hào)丟失，這就需要條件數(shù)來(lái)平衡信號(hào)丟失量和干擾信號(hào)量[3–5]。設(shè)置的閥值為3 %，圖4為其中一激勵(lì)點(diǎn)的載荷數(shù)據(jù)。

3　聲學(xué)響應(yīng)及貢獻(xiàn)量分析

3.1聲學(xué)傳函分析

利用Trim Body有限元模型，建立聲學(xué)仿真分析模型，利用Virtual Lab進(jìn)行NTF仿真分析。分析模型中，聲腔網(wǎng)格尺寸要小于求解頻率所對(duì)應(yīng)聲波波長(zhǎng)的1/6，同時(shí)要考慮聲腔與結(jié)構(gòu)體表面的粘合率。聲腔網(wǎng)格采用30 mm，NTF求解范圍為20 Hz～200 Hz。

圖4　某激勵(lì)點(diǎn)載荷數(shù)據(jù)

3.2工況載荷下車(chē)內(nèi)噪聲分析

利用載荷分析結(jié)果和NTF分析結(jié)果對(duì)工況載荷下車(chē)內(nèi)的聲學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析求解，聲學(xué)響應(yīng)分析范圍為20 Hz～200 Hz，結(jié)果如圖5所示。與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，工況載荷下的車(chē)內(nèi)噪聲分析結(jié)果中各階次各頻率能量分布與試驗(yàn)結(jié)果吻合度都較高（見(jiàn)圖1）。因此可以證明工況載荷下車(chē)內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)分析可以體現(xiàn)實(shí)際響應(yīng)，分析結(jié)果可用。

圖5　車(chē)內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果

3.3貢獻(xiàn)量分析

根據(jù)主觀評(píng)價(jià)識(shí)別出來(lái)的問(wèn)題所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，對(duì)各激勵(lì)點(diǎn)及各板件進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析。根據(jù)圖6、圖7中貢獻(xiàn)量分析結(jié)果可以清楚看出傳動(dòng)軸中央支撐和后副車(chē)架激勵(lì)以及后地板振動(dòng)對(duì)車(chē)內(nèi)貢獻(xiàn)明顯。根據(jù)聲學(xué)頻譜可以看出系統(tǒng)在140 Hz附近存在一定程度的共振，綜合上述結(jié)果，基本可以判斷是傳動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)和后地板結(jié)構(gòu)共振造成車(chē)內(nèi)響應(yīng)明顯。

圖6　載荷貢獻(xiàn)量分析

3.4優(yōu)化后結(jié)果

為改善共振引起的車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題，從兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

(1)加強(qiáng)傳動(dòng)軸中央支撐處的剛度，并優(yōu)化橡膠參數(shù)改善中央支撐的隔振，同時(shí)加厚副車(chē)架橡膠襯套以改善副車(chē)架襯套的隔振性能，從而減少傳動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)向車(chē)身的傳遞。

(2)增加地板梁結(jié)構(gòu)，改變地板動(dòng)態(tài)特性，避免地板與傳動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)共振。

優(yōu)化后車(chē)內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)明顯變好，如圖8所示；140 Hz附近共振基本消失，主觀評(píng)價(jià)車(chē)內(nèi)NVH水平改善明顯。

圖7　板件貢獻(xiàn)量分析

圖8　優(yōu)化后車(chē)內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)TPA分析的原理進(jìn)行闡述，通過(guò)綜合利用試驗(yàn)和仿真手段進(jìn)行工況載荷下的TPA分析。通過(guò)TPA分析眾多傳遞路徑，明確問(wèn)題所在，節(jié)省了問(wèn)題排查及優(yōu)化時(shí)間。此次TPA分析用仿真分析傳函代替了試驗(yàn)傳函，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)和仿真的綜合。這樣就可以在車(chē)輛開(kāi)發(fā)初期沒(méi)有實(shí)車(chē)情況下，利用相近車(chē)型的工況激勵(lì)數(shù)據(jù)對(duì)車(chē)輛NVH水平進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)TPA分析結(jié)果對(duì)車(chē)型NVH問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別優(yōu)化，達(dá)到車(chē)輛NVH性能控制的目標(biāo)。

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Transfer Path Analysis under Loading Conditions

GUO Shi-hui1, 2, LIU Zhen-guo1, 2, ZANG Xiu-min3, FAN Yi-fan1, 2, ZHOU Dan-dan1, 2
（1. R&D Center, Great Wall Motor Co. Ltd., Baoding 071000, Hebei China; 2.AutomotiveEngineering Technical Research Center, Baoding 071000, Hebei China; 3. Sanchuan Electric Co. Ltd., Baoding 071000, Hebei China）

Abstract:The fundamental theory of TPA (Transfer Path Analysis) was introduced. Several main methods of load identification werecompared and their advantagesand disadvantageswereanalyzed.And asynthesismethod wasdeveloped for load identification. Using this method, the vehicle noise was simulated. The result was compared with the testing result and the feasibility of this method was verified. On this basis, The TPA analysis of vehicles under loading conditions was carriedout.AccordingtotheTPA results, thevehiclewasoptimizedanditsNVH wassignificantly improved.

Key words:vibrationandwave; loadidentification; TPA; NVH

作者簡(jiǎn)介：郭世輝（1984-），男，河北石家莊，碩士，主要研究方向?yàn)槠?chē)NVH性能開(kāi)發(fā)。E-mail:shi__hui@163.com

收稿日期：2015-08-25

文章編號(hào)：1006-1355(2016)02-0104-04

中圖分類(lèi)號(hào)：O422.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.023