工況載荷下傳遞路徑分析方法

郭世輝，劉振國，臧秀敏，范一凡，周丹丹（1.長城汽車股份有限公司技術中心,保定071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，保定071000；.三川電力設備股份有限公司，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1, 2，臧秀敏3，范一凡1, 2，周丹丹1, 2
（1.長城汽車股份有限公司技術中心,保定071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，保定071000；3.三川電力設備股份有限公司，保定071000）

摘要:闡述傳遞路徑分析(TPA)基本原理，通過對比幾種主要載荷識別方法優劣，提出綜合利用試驗和仿真手段進行載荷識別方法。運用該方法進行車內噪聲分析，并通過對比試驗結果證明方法可行性。在此基礎上進行工況載荷下整車TPA分析，根據分析結果對車輛進行優化，取得顯著效果。

關鍵詞：振動與波；載荷識別；TPA；NVH

隨著汽車工業發展和人們對汽車舒適性要求提高，車輛的NVH性能已經成為衡量汽車綜合性能的關鍵因素之一。如何在車型開發過程中更好的控制汽車NVH性能成為各個汽車企業NVH工作發展主要方向[1–5]。在汽車NVH性能分析控制中，基于試驗測試獲得的數據結果直觀，易于掌握和理解，但在對性能的優化和控制上不足，尤其是車型開發前期沒有樣車時無法實現對其性能的控制；而基于數字仿真獲得的數據結果便于實現性能的預測、修改，方便開發前期的性能控制，但其結果受模型簡化及其邊界條件處理方式的影響，如果處理不當容易造成較大的誤差。21世紀以后，人們開始不斷嘗試打破試驗與數字仿真間的界限，綜合利用試驗和仿真手段進行NVH控制[1]。近年來，傳遞路徑分析方法（Transfer Path Analysis，TPA）成為各大汽車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和仿真有機結合在一起，通過對整個系統中各個路徑上的傳遞特性進行研究，以確定各激勵點及各部件對系統的貢獻。利用傳遞路徑分析方法，工程師可以快速識別問題產生的原因，有的放矢地對整車系統進行優化和控制[1]。

1　TPA分析方法

1.1 TPA基本原理

一個振動系統受到一個外界的激勵必然會引起其他部分的響應，這種激勵和響應之間的對應關系由系統的傳遞特性確定，系統的傳遞特性就是系統的傳遞函數。對于有多個激勵的系統，其響應是由多個激勵對系統綜合作用的結果。TPA的原理就是把響應假設為多個激勵通過不同的傳遞路徑抵達響應位置后疊加作用的結果。TPA的基本數學公式為

對于噪聲響應而言

1.2載荷識別方法

傳統的TPA主要有兩個部分的工作，頻響函數的測量和載荷識別。頻響函數通?？梢灾苯訙y量或利用互異性進行測量。載荷識別的方法很多，目前常用的主要有直接測量法、動剛度法、矩陣求逆法[2,4]。

直接測量法：

利用力傳感器直接進行測量。此種方法獲取的結果直觀可靠，但在實際操作過程中，力傳感器需要一定的空間和良好的支撐面，這些往往很難實現。在路面激勵測試時，如果測量輪軸的受力數據，布置傳感器會破壞原輪輞，使系統本身已經發生變化，得到的力與原系統的力已經不同，因此直接測量法在測試過程中并不常用。

動剛度法：

動剛度法主要應用在彈性元件主被動端的載荷識別。這種方法通過彈性元件兩端的位移差值與彈性元件的動剛度的乘積來求解作用力。其理論上求解方程為

動剛度法求解載荷的準確性依賴與彈性元件動剛度曲線的值，此外利用動剛度法求解載荷不可避免要額外增加彈性元件動剛度試驗。動剛度試驗依賴夾具等輔助設備的設計，且測試位移與實際變形無法一致，導動剛度測試結果會有一定偏差，因此方法在實際中應用并不多。

矩陣求逆法：

矩陣求逆法是根據激勵與響應之間的關系X = HF，通過響應和激勵之間的傳遞函數特性求得激勵F。

基于矩陣求逆的載荷識別原理如下：

已知：響應X各傳遞路徑Ti上的傳函H；求解：激勵F

基于逆矩陣的載荷識別需要對各點之間的傳函進行測量，測試過程中需要拆除發動機等主動系統，過程十分繁瑣，耗時耗力。不過隨著CAE技術的發展，利用仿真手段代替試驗已經成為可能。

通過利用CAE分析傳函代替試驗結果，綜合試驗測得的振動響應基于矩陣求逆的載荷識別原理對工況下的載荷進行了分析求解，利用所求得的載荷和分析模型對車內噪聲響應進行TPA分析。

2　工況載荷識別

2.1工況數據采集及處理

根據主觀評價的結果，車輛5檔WOT工況存在轟鳴聲，因此對該工況進行試驗數據采集。

噪聲數據：在駕駛員右耳，后排乘客左耳位置布置麥克風進行噪聲數據采集，該數據用于車輛噪聲問題識別以及后期對分析結果可靠性進行對比驗證。噪聲頻譜如圖1所示。

圖1　車內噪聲試驗數據

振動數據：為了減少矩陣求逆時病態矩陣的影響，需要取M≥2N，即振動響應點的個數不少于激勵點個數的2倍，取M=2N。測試包括前后副車架安裝點、變速器懸置、中央支撐等位置的振動數據。由于測試點較多，無法同一次完成所有數據采集，需要布置相位參考點，分次進行測量。為保證數據一致性，盡可能在相同路段，采用相同的起始速度和發動機轉速進行測試。數據處理時采用相同的分辨率，各次測試結果分析時，起止轉速選擇盡可能相近。輸出數據為各測試點振動頻譜，如圖2所示。

圖2　振動數據

2.2傳遞函數分析

利用仿真傳函數據代替試驗測試。利用Hyper Mesh建立Trim Body模型，模型包含白車身、開閉件、電器件、內飾件、外飾件等系統；利用Nastran進行模態求解，求解頻率為0～300 Hz，為減少分析誤差設置模態補償；利用Virtual Lab進行VTF分析，求解范圍為20 Hz～200 Hz，部分結果如圖3所示。

圖3　VTF結果

2.3載荷求解

綜合工況振動數據和仿真VTF結果，利用矩陣求逆原理對工況載荷進行分析求解。為保證分組測試的數據都能識別，并控制誤差，需要合理設置轉速容差，轉速容差取為10轉。在矩陣求逆過程中，小的干擾信號會被放大。因此需要對無用數據進行過濾，同時要避免過濾的數據過多，導致信號丟失，這就需要條件數來平衡信號丟失量和干擾信號量[3–5]。設置的閥值為3 %，圖4為其中一激勵點的載荷數據。

3　聲學響應及貢獻量分析

3.1聲學傳函分析

利用Trim Body有限元模型，建立聲學仿真分析模型，利用Virtual Lab進行NTF仿真分析。分析模型中，聲腔網格尺寸要小于求解頻率所對應聲波波長的1/6，同時要考慮聲腔與結構體表面的粘合率。聲腔網格采用30 mm，NTF求解范圍為20 Hz～200 Hz。

圖4　某激勵點載荷數據

3.2工況載荷下車內噪聲分析

利用載荷分析結果和NTF分析結果對工況載荷下車內的聲學響應進行分析求解，聲學響應分析范圍為20 Hz～200 Hz，結果如圖5所示。與實測結果相比，工況載荷下的車內噪聲分析結果中各階次各頻率能量分布與試驗結果吻合度都較高（見圖1）。因此可以證明工況載荷下車內聲學響應分析可以體現實際響應，分析結果可用。

圖5　車內聲學響應分析結果

3.3貢獻量分析

根據主觀評價識別出來的問題所對應的轉速，對各激勵點及各板件進行貢獻量分析。根據圖6、圖7中貢獻量分析結果可以清楚看出傳動軸中央支撐和后副車架激勵以及后地板振動對車內貢獻明顯。根據聲學頻譜可以看出系統在140 Hz附近存在一定程度的共振，綜合上述結果，基本可以判斷是傳動系統的激勵和后地板結構共振造成車內響應明顯。

圖6　載荷貢獻量分析

3.4優化后結果

為改善共振引起的車內噪聲問題，從兩個方面進行優化：

(1)加強傳動軸中央支撐處的剛度，并優化橡膠參數改善中央支撐的隔振，同時加厚副車架橡膠襯套以改善副車架襯套的隔振性能，從而減少傳動系統激勵向車身的傳遞。

(2)增加地板梁結構，改變地板動態特性，避免地板與傳動系統激勵共振。

優化后車內聲學響應明顯變好，如圖8所示；140 Hz附近共振基本消失，主觀評價車內NVH水平改善明顯。

圖7　板件貢獻量分析

圖8　優化后車內聲學響應分析結果

4　結語

對TPA分析的原理進行闡述，通過綜合利用試驗和仿真手段進行工況載荷下的TPA分析。通過TPA分析眾多傳遞路徑，明確問題所在，節省了問題排查及優化時間。此次TPA分析用仿真分析傳函代替了試驗傳函，實現試驗和仿真的綜合。這樣就可以在車輛開發初期沒有實車情況下，利用相近車型的工況激勵數據對車輛NVH水平進行預測，并根據TPA分析結果對車型NVH問題進行識別優化，達到車輛NVH性能控制的目標。

參考文獻：

[1]趙彤航.基于傳遞路徑的汽車車內噪聲識別與控制[D].吉林：吉林大學. 2008.

[2]龍巖.基于改進傳遞路徑分析方法的動力總成懸置系統優化設計[D].吉林：吉林大學. 2010.

[3] Andrew S Waisanen, Jason R Blough. Road noise TPA simplification for improving vehicle sensitivity to tire cavity resonanceusingheliumgas[J]. SAE, 2009-01-2092.

[4]楊娜.汽車車內噪聲傳遞路徑的分析與研究[D].天津：河北工業大學. 2004.

[5]徐猛，張俊紅，孔傳旭，等.基于結構力識別的車內噪聲結構路徑貢獻量分析[J].汽車技術，2013，(12)：28-31.

[6]伍先俊，呂亞東，隋富生，等.工況傳遞路徑分析法原理及其應用[J].噪聲與振動控制，2014，34(1)：28-31.

[7] Koners G. Panel noise contribution analysis:An experimental method for determining the noise contributionsof panelsto interior noise[J]. SAE, 2003-01-1410.

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

作者簡介：郭世輝（1984-），男，河北石家莊，碩士，主要研究方向為汽車NVH性能開發。E-mail:shi__hui@163.com

收稿日期：2015-08-25

文章編號：1006-1355(2016)02-0104-04

中圖分類號：O422.6

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.023