多參考TPA在整車(chē)路面載荷提取中的運(yùn)用

嚴(yán) 輝，康潤(rùn)程，陳 明

(東風(fēng)汽車(chē)公司 技術(shù)中心,襄陽(yáng) 441004)

汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲水平作為當(dāng)今衡量汽車(chē)好壞最為直觀(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，因此，汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲控制已成為汽車(chē)新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。汽車(chē)受路面激勵(lì)力的作用，通過(guò)不同的傳遞路徑引起車(chē)身結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，從而向車(chē)內(nèi)輻射大量噪聲［1］。目前NVH仿真分析方法已成為解決汽車(chē)NVH問(wèn)題最為便利和快捷的分析方法，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，仿真分析技術(shù)亦得以日新月異的發(fā)展，已成為各大企業(yè)及研發(fā)中心首先的工具［2］。在進(jìn)行仿真分析前，為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，需盡可能的采用與實(shí)際相近的輸入條件。通常需要結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)量方法來(lái)獲取激勵(lì)力，從而最大限度的保證輸入條件的真實(shí)性。

本文以某乘用車(chē)為分析對(duì)象，應(yīng)用多參考傳遞路徑方法，提取了該車(chē)懸架系統(tǒng)與車(chē)身連接處的載荷激勵(lì)力，為后期的NVH仿真分析提供科學(xué)的輸入邊界條件。同時(shí)還擬合出了該車(chē)內(nèi)噪聲結(jié)果，并與試驗(yàn)所得的結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，其結(jié)果有著較好的一致性，以此來(lái)判斷所得載荷激勵(lì)結(jié)果的可靠性，為多參考TPA方法在整車(chē)路面載荷提取中的運(yùn)用提供案例。

1 基本思路

路面激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)噪聲是由多個(gè)輪胎輸入作用，經(jīng)過(guò)懸架系統(tǒng)引起車(chē)身振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。此時(shí)的車(chē)內(nèi)噪聲是由多個(gè)相關(guān)的激勵(lì)源引起的，且車(chē)輪激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)又是相互耦合的，不同的自由度間沒(méi)有固定的相位延遲。針對(duì)這種典型的多個(gè)相關(guān)的激勵(lì)源引起的耦合問(wèn)題，通常需要多個(gè)參考信號(hào)，結(jié)合主分量分析進(jìn)行解耦，變成獨(dú)立的非耦合問(wèn)題予以分析［3］。

在對(duì)試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行主分量分析后，可以建立結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑模型，通過(guò)分析獲取連接點(diǎn)處的耦合激勵(lì)力。結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑分析的耦合激勵(lì)力的獲取方法主要有直接測(cè)量法、動(dòng)態(tài)復(fù)剛度法、矩陣求逆法及激勵(lì)點(diǎn)反演法四種［4］。矩陣求逆法主要用于主動(dòng)方（激勵(lì)源側(cè)）和受動(dòng)方（目標(biāo)點(diǎn)側(cè)）是剛性連接或者彈性連接元件的剛度相對(duì)于主、受動(dòng)雙方的局部剛度較大，耦合元件的變形相對(duì)其周?chē)Y(jié)構(gòu)的變形不夠大的情況下［5］。針對(duì)整車(chē)路面激勵(lì)載荷，要獲得懸架系統(tǒng)與車(chē)身連接處的載荷力，在實(shí)際試驗(yàn)中，受傳感器尺寸、安裝條件以及相對(duì)位移等因素的限制，通常采用矩陣求逆法進(jìn)行載荷求取，其計(jì)算公式如下。

式中：{Fn}為各耦合點(diǎn)處的激勵(lì)力；［H（ω）］為激勵(lì)力到各個(gè)指示點(diǎn)的局部傳遞函數(shù)矩陣；{Xm}為被動(dòng)方指示點(diǎn)加速度響應(yīng)向量。

為了避免矩陣奇異值分解時(shí)產(chǎn)生數(shù)值分解問(wèn)題，并使估計(jì)出的耦合激勵(lì)力更加精確，應(yīng)使參考自由度數(shù)不小于耦合激勵(lì)力數(shù)(傳遞路徑數(shù))。參考自由度須取在受動(dòng)方，盡量分布在耦合點(diǎn)附近；測(cè)量傳遞函數(shù)時(shí)，為了消除激勵(lì)源相互耦合的影響，需要移除主動(dòng)方結(jié)構(gòu)部件。

本次試驗(yàn)與分析流程如圖1所示。

2 試驗(yàn)測(cè)量與分析

2.1 數(shù)據(jù)測(cè)量

本次試驗(yàn)主要分為以下兩步進(jìn)行。

1）工況數(shù)據(jù)測(cè)量：測(cè)量車(chē)輛在實(shí)際工況下各指示點(diǎn)的振動(dòng)加速度及目標(biāo)點(diǎn)的聲壓。

據(jù)研究表明，當(dāng)乘用車(chē)在中低等車(chē)速（60 km/h以下時(shí)）行駛時(shí)，其路面激勵(lì)引起的車(chē)內(nèi)噪聲占主要成分。因此本次試驗(yàn)選用較為粗糙的試驗(yàn)路面，路面四周空曠，背景噪聲比被測(cè)噪聲低15 dB(A)以上。行駛工況為車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)怠速空擋滑行，滑行車(chē)速范圍為40~70 km/h，記錄該車(chē)速區(qū)域內(nèi)各指示點(diǎn)的振動(dòng)加速度及車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的聲壓時(shí)間歷程。

2）傳遞函數(shù)測(cè)量：測(cè)量各個(gè)傳遞路徑到目標(biāo)點(diǎn)的振-聲傳遞函數(shù)（全局傳函），以及傳遞路徑激勵(lì)力到各個(gè)指示點(diǎn)間的加速度響應(yīng)傳遞函數(shù)（局部傳函）。在進(jìn)行傳遞函數(shù)試驗(yàn)前，需拆除車(chē)輛懸架主動(dòng)端部分（車(chē)輪總成），并用彈性吊繩或者空氣氣囊支撐車(chē)身，使車(chē)輛處于自由狀態(tài)，以消除激勵(lì)源耦合的影響。采用力錘單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法進(jìn)行傳遞函數(shù)測(cè)量，分別在耦合點(diǎn)的X、Y、Z三個(gè)方向上激勵(lì)，為了獲取良好的傳遞函數(shù)結(jié)果，力錘激勵(lì)時(shí)，力譜函數(shù)要盡量平直，并覆蓋整個(gè)分析頻帶，每條路徑敲擊多次。同時(shí)檢查各響應(yīng)點(diǎn)的相干函數(shù)，確保有良好的數(shù)據(jù)結(jié)果。

測(cè)點(diǎn)安裝與布置：指示點(diǎn)選在懸架系統(tǒng)被動(dòng)端鏈接處，每個(gè)接點(diǎn)處布置兩個(gè)及兩個(gè)以上的三向加速度傳感器；目標(biāo)點(diǎn)布置于車(chē)內(nèi)駕駛員及乘員外耳處（靠近車(chē)窗側(cè)）。測(cè)點(diǎn)布置及安裝示意圖如圖2~圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 多參考及主分量分析

在進(jìn)行傳遞路徑載荷提取前，首先要檢查試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)運(yùn)用工作變形分析（ODS）來(lái)檢查試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，以此來(lái)判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否可取。通過(guò)工作變形分析還可以及時(shí)了解和分析結(jié)構(gòu) （如前副車(chē)架和后托架）的動(dòng)態(tài)特性，圖5為車(chē)身懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的ODS分析結(jié)果圖。

在確認(rèn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行多參考點(diǎn)分析，通常把目標(biāo)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，本文以四個(gè)車(chē)內(nèi)噪聲點(diǎn)為參考點(diǎn)，分別求出其他指示點(diǎn)與該四個(gè)目標(biāo)點(diǎn)間的互功率譜函數(shù)。然后進(jìn)行主分量分析（PCA），以四個(gè)車(chē)內(nèi)噪聲目標(biāo)點(diǎn)為主向量空間，經(jīng)分解后得出了四階獨(dú)立的主向量，經(jīng)過(guò)主分量分析后的結(jié)果如圖6所示。

從圖6的主分量分析結(jié)果中可以看出，該車(chē)車(chē)內(nèi)各點(diǎn)處噪聲的第一階主分量與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本吻合，說(shuō)明車(chē)內(nèi)各點(diǎn)的噪聲主要由其第一階主分量組成，其他幾階主分量對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量均很小。通常為了簡(jiǎn)化問(wèn)題和提高工作效率，在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑分析時(shí)，可忽略其他幾階主分量，只取第一階主分量進(jìn)行分析。當(dāng)然當(dāng)其他幾階分量對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量大時(shí)，也可以選取其他幾階分量進(jìn)行逐一分析，最終可以將分析的結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性疊加。考慮到該車(chē)的車(chē)內(nèi)噪聲能量主要由第一主分量組成，本文僅選有了第一階主分量的結(jié)果作為后續(xù)路面?zhèn)鬟f路徑載荷提取的工況條件。

2.2.2 載荷提取

在經(jīng)過(guò)主分量分析之后，將多參考耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單參考的獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行分析，同時(shí)確認(rèn)了主要的能量組成成分，忽略不重要的能量成分，從而實(shí)現(xiàn)降維以簡(jiǎn)化問(wèn)題。然后建立TPA分析模型，其過(guò)程有目標(biāo)點(diǎn)選取、傳遞路徑選取、指示點(diǎn)及分析工況（根據(jù)以上主分量分析結(jié)果，本次分析采用第一階主分量工況）選取。

建立了整車(chē)傳遞路徑分析模型后，運(yùn)用逆矩陣的方法求解載荷激勵(lì)，進(jìn)而擬合出車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的噪聲結(jié)果，分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

從圖7中可以看出，擬合出的車(chē)內(nèi)噪聲結(jié)果與試驗(yàn)所得的結(jié)果吻合得很好，兩者的頻譜特性基本一致，可知通過(guò)該方法獲得的路面載荷激勵(lì)力是可靠的。懸架系統(tǒng)相關(guān)接點(diǎn)處的路面載荷激勵(lì)結(jié)果如上圖8所示，車(chē)輛左右懸架系統(tǒng)是對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，所以獲得的左右側(cè)激勵(lì)力基本一致。

3 結(jié)論

本文以某乘用車(chē)為分析對(duì)象，采用多參考傳遞路徑分析方法，結(jié)合主分量分析方法，將復(fù)雜的耦合問(wèn)題簡(jiǎn)單化為獨(dú)立的單參考點(diǎn)問(wèn)題，建立了整車(chē)路面結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑分析模型，運(yùn)用逆矩陣法獲得了懸架系統(tǒng)與車(chē)身連接處的激勵(lì)力，為多參考傳遞路徑分析方法在汽車(chē)NVH產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用提供了案例。同時(shí)為了驗(yàn)證所得路面載荷激勵(lì)力的真實(shí)有效性，擬合出了車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)處的噪聲結(jié)果，經(jīng)與試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，兩者有著較好的一致性，說(shuō)明所得激勵(lì)力的準(zhǔn)確性，為今后NVH仿真分析提供更為準(zhǔn)確的輸入條件。

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［3］ LMS Test.Lab Help:Transfer Path Analysis Method and Principal Component Analysis［Z］.2009.

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［5］劉東明，項(xiàng)黨，鄭金鑫.傳遞路徑分析技術(shù)在車(chē)內(nèi)噪聲與振動(dòng)研究與分析中的應(yīng)用［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2007，8(4):73-77.