LMS-Test-Lab在整車路面載荷提取中的運用

LMSTestLab在整車路面載荷提取中的運用作者：嚴輝康潤程摘要：本文采用LMSTestLab多參考點處理方法，結(jié)合主分量分析(PCA)將多參考問題轉(zhuǎn)換為單參考問題，然后建立了路面噪聲的結(jié)構(gòu)傳遞路徑分析模型，通過逆矩陣方法來獲取路面載荷激勵力。

1前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車的乘坐舒適性能如噪聲和振動常常成為區(qū)分汽車好壞最為直接的重要因素之一。乘用車低頻噪聲問題一直是目前設(shè)計和控制的難點，路面噪聲通常可以分為兩類，一是輪胎與路面相互作用直接輻射進車內(nèi)的噪聲，稱為直接路面噪聲；二是由于路面激勵，通過懸架系統(tǒng)引起車身振動而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)輻射噪聲，稱為間接路面噪聲。由路面激勵引起的結(jié)構(gòu)噪聲已成為現(xiàn)代汽車日益關(guān)注的焦點。

汽車受路面激勵力的作用，通過不同的傳遞路徑引起車身結(jié)構(gòu)的振動，從而向車內(nèi)輻射大量噪聲。為了有效的控制和分析路面噪聲，通常需要進行路面噪聲傳遞路徑分析，可以通過傳遞路徑試驗分析，也可以通過CAE仿真分析，以確定每條路徑對目標點（車內(nèi)噪聲）的貢獻量，從而為汽車低噪聲產(chǎn)品設(shè)計和控制提供強有力的指導方案。目前CAE仿真已成為解決NVH最為便利和快捷的分析方法，為了確保分析結(jié)果的準確度，在進行CAE仿真過程中，需盡可能的采用與實際相近的輸入條件。通常需要結(jié)合試驗測量分析方法來獲取激勵力，從而保證輸入條件的真實性。針對輪胎噪聲仿真分析，通常需要懸架與車身接點處的激勵力，加載于整車有限元分析模型，進行結(jié)構(gòu)噪聲分析。

2基本思想

通常進行路面載荷提取的試驗及求取流程如下圖所示：

圖1路面載荷提取流程圖對于路面激勵引起的結(jié)構(gòu)噪聲，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有多個相關(guān)的激勵源，通常需要多個參考信號。對于這種耦合問題，需要通過主分量分析(PCA)將多參考問題轉(zhuǎn)換為單參考問題，即解耦后進行單獨分析。通常采用奇異值分解對工況數(shù)據(jù)進行主分量分析，將多個相關(guān)的耦合問題轉(zhuǎn)化為一個和幾個相互獨立的問題。

在對試驗工況數(shù)據(jù)進行主分量分析后，可以建立傳遞路徑分析模型，在分析模型中提取激勵力。激勵力的獲取方法主要有直接測量法、動態(tài)復剛度法、逆矩陣法及激勵點反演法四種。如果主動方和受動方是剛性連接或者彈性連接但彈性元件的剛度相對于主、受動雙方的局部剛度較大，耦合元件的變形相對于其周圍結(jié)構(gòu)的變形不夠大，就不適合使用動態(tài)復剛度法測量耦合激勵力，因此本次試驗采用矩陣求逆法。為了避免矩陣奇異值分解時產(chǎn)生數(shù)值分解問題，并使估計出的耦合激勵力更加精確,應(yīng)使參考自由度數(shù)不小于耦合激勵力數(shù)(傳遞路徑數(shù))。其中｛Fn｝為各耦合點處的激勵力；［H(ω)］為激勵力到各個指示點的局部傳遞函數(shù)矩陣；｛Xm｝為被動方指示點加速度響應(yīng)向量。

在使用矩陣求逆法時還應(yīng)注意：參考自由度須取在被動方，盡量分布在耦合點附近。測量傳遞函數(shù)時，主動方應(yīng)在各耦合點處與受動方解耦并從耦合點移走，以消除激勵源耦合的影響。

3試驗測量及分析過程

3.1試驗條件及準備

試驗通常分兩部分：

一、工況數(shù)據(jù)測量：測量車輛在實際工況下各指示點的振動加速度及目標點的聲壓。試驗路面為粗糙路面，路面四周空曠，背景噪聲應(yīng)比被測噪聲低15dB(A)以上。本次試驗時，車輛從60km/h進入粗糙路面后空檔滑行至40km/h，記錄該車速區(qū)域內(nèi)各指示點的振動加速度及車內(nèi)目標點的聲壓時間歷程。

二、傳遞函數(shù)測量：測量各個傳遞路徑到目標點的振—聲傳遞函數(shù)（全局傳函），以及傳遞路徑激勵力到各個指示點間的加速度響應(yīng)傳遞函數(shù)（局部傳函）。試驗前拆除車輛懸架主動端部分（車輪總成），將車輛用軟橡皮繩吊掛，使車輛處于自由狀態(tài)。采用力錘單點激勵多點響應(yīng)的方法進行傳遞函數(shù)測量，試驗中需要必要的輔助夾具，便于敲擊及傳感器安裝。

測點安裝與布置：指示點選在懸架系統(tǒng)被動端鏈接處，每個接點處布置兩個及兩個以上的三向加速度傳感器；目標點布置于車內(nèi)駕駛員及乘員外耳處（靠近車窗側(cè)）。測點布置及安裝示意圖如下圖所示：

圖2指示點布置及安裝示意圖

圖3傳遞函數(shù)測點時敲擊點示意圖

圖4車內(nèi)目標點布置及安裝示意圖3.2分析過程及結(jié)果

在進行傳遞路徑載荷提取前，首先要檢查試驗數(shù)據(jù)，通常運用工作變形分析（ODS）來檢查試驗數(shù)據(jù)的一致性，以此來判斷試驗數(shù)據(jù)是否可取。另外通過工作變形分析還可以及時了解和分析結(jié)構(gòu)（如前副車架和后托架）的動態(tài)特性。

在確認了試驗數(shù)據(jù)之后，在LMSTestLabMulti-ReferencePostProcessing模塊中進行多參考點分析，獲得指示點與目標點間的互功率譜函數(shù)。繼而在LMSTestLabPrincipalComponentAnalysis模塊中進行主分量分析（PCA），目的是將耦合的多參考問題轉(zhuǎn)換為非耦合的單參考問題，從而將問題簡化后得以求解。經(jīng)過主分量分析后的試驗結(jié)果如下圖所示：

圖5主分量分析結(jié)果圖從上圖5的主分量分析結(jié)果中可以看出，車內(nèi)各點噪聲值的第一階主分量與試驗測量分析結(jié)果基本吻合，車內(nèi)各點的噪聲值主要由其第一階主分量組成，其它幾階主分量對車內(nèi)噪聲的貢獻量均很小。因此，在進行傳遞路徑分析時，可忽略其它幾階主分量，只取第一階主分量進行分析。

在進行了主分量分析之后，將多參考耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單參考的獨立系統(tǒng)進行分析，確認了主要的能量組成成分，忽略不重要的能量成分，從而實現(xiàn)降維以簡化問題。然后建立TPA分析模型，選取目標點、傳遞路徑、指示點及分析工況（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）。運用逆矩陣的方法求解載荷激勵，進而擬合出車內(nèi)目標點的噪聲結(jié)果，并進行傳遞路徑貢獻量分析，分析結(jié)果如下圖所示：

圖6擬合的目標點聲壓結(jié)果與試驗結(jié)果對比圖

圖7路徑貢獻量分析結(jié)果圖從圖6中可以看出，擬合出的車內(nèi)噪聲結(jié)果與試驗所得的結(jié)果吻合得很好，兩者的頻譜特性基本一致。從貢獻量分析圖7中可以看出，車內(nèi)前側(cè)駕駛員及副駕乘員外耳位置處在116Hz及240Hz左右的噪聲峰值主要由后懸架傳遞的，80Hz及140Hz左右的峰值頻率主要來源于前懸架系統(tǒng)。車內(nèi)后排乘員外耳處的噪聲在86Hz、116Hz及240Hz左右的峰值主要來源于后懸架系統(tǒng)，前懸架系統(tǒng)對車內(nèi)后排乘員外耳處的噪聲結(jié)果貢獻較小。因此，可知通過該TPA模型獲得的路面載荷激勵力是可靠的，獲得的激勵力結(jié)果如下圖所示，車輛左右懸架系統(tǒng)是對稱系統(tǒng)，故獲得的左右側(cè)激勵力基本一致。

圖8前懸架連接處路面載荷激勵力結(jié)果4結(jié)論

本次試驗運用多參考點的處理方法，結(jié)合主分量分析將復雜的耦合問題簡單化為獨立的單參考點問題。進而建立了相關(guān)傳遞路徑分析模型，利用逆矩陣法獲得了懸架系統(tǒng)與車身連接處的激勵力。同時進行了傳遞路徑