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工況TPA（OPA）應(yīng)用實例

2020-02-09 13:01:49·  來源：淺談NVH工程應(yīng)用  作者：蘇彬  
　
前言傳遞路徑分析在NVH性能開發(fā)與故障診斷過程中是一種非常有效的手段。所謂傳遞路徑分析其實就是獲取激勵源經(jīng)傳遞路徑后對目標點噪聲或是振動的貢獻大小。而非
前言
 
傳遞路徑分析在NVH性能開發(fā)與故障診斷過程中是一種非常有效的手段。所謂傳遞路徑分析其實就是獲取激勵源經(jīng)傳遞路徑后對目標點噪聲或是振動的貢獻大小。而非僅僅判斷傳遞函數(shù)的貢獻量，故需要精確的區(qū)分激勵力與傳遞函數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，才能獲取較為精確的傳遞路徑分析結(jié)果。
 
而傳遞路徑分析方法目前包括：經(jīng)典TPA（單參考TPA、多參考TPA），工況TPA（OPA & OPAX），部件TPA，時域TPA等。而西門子工業(yè)軟件Simcenter TEST囊獲了以上全部解決方案，幫助大家獲取快速準確高效的傳遞路徑分析結(jié)果。
工況TPA（OPA）
 
其中工況TPA（OPA）由于耗時短、不需要拆除動力總成等特點被大家越來越多的應(yīng)用在了故障診斷的過程中。以下對工況TPA的特點進行簡單的介紹
 
工況TPA(OPA)由于不需要拆卸動力總成及FRF測試，故測試時間大大縮短，一般工況數(shù)據(jù)測試僅需要1天左右。該方法通過升降速工況數(shù)據(jù)基于H1估計方法建立了系統(tǒng)傳導(dǎo)特性。所以O(shè)PA是響應(yīng)-響應(yīng)或是輸入點響應(yīng)-輸出點響應(yīng)關(guān)系，這就決定了OPA模型并非系統(tǒng)的因果特性關(guān)系！而響應(yīng)間的傳導(dǎo)函數(shù)也不是系統(tǒng)特性，而需要依賴于載荷狀態(tài)。
以下為大家?guī)硪粋€OPA實例，對工況TPA分析的過程及需要注意的事項進行概況性的討論，希望給廣大的朋友一些啟發(fā)。
案例分享
  • 基礎(chǔ)概述
本案例中為某型商用車，動力總成布置形式為前置后驅(qū)，4缸汽油發(fā)動機。手動變速箱，無雙質(zhì)量飛輪環(huán)節(jié)及平衡軸。兩級結(jié)構(gòu)傳遞，動力總成、排氣系統(tǒng)等連接于車架，車架通過車身懸置連接于駕駛室。
希望通過傳遞路徑分析解決兩個問題點：1. 怠速噪聲大；2. 3檔WOT工況下車輛在1300rpm附近存在轟鳴。根據(jù)以上信息建立傳遞路徑模型并確定測點，以通過西門子工業(yè)軟件Simcenter TEST Lab軟件采集工況數(shù)據(jù)完成工況TPA分析。
1.   傳遞路徑模型建立：
圖1 傳遞路徑模型建立
如圖 1所示，駕駛室內(nèi)車內(nèi)響應(yīng)首先分為結(jié)構(gòu)傳遞路徑+空氣傳遞路徑。其中空氣傳遞路徑中包括：動力總成表面輻射噪聲、進排氣管口輻射噪聲、冷卻風(fēng)扇輻射噪聲等；結(jié)構(gòu)傳遞路徑分為兩級：第一級為車架即4個車身懸置，第二級為主要激勵系統(tǒng)與車架連接點，包括動力總成懸置連接點、冷卻風(fēng)扇隔振連接點、進氣系統(tǒng)安裝點、排氣系統(tǒng)吊耳連接點等。
2.   試驗測點布置：
圖2 試驗測點示意圖
基于OPA的傳遞路徑分析過程通過接附點被動端數(shù)據(jù)及車內(nèi)目標點數(shù)據(jù)進行傳導(dǎo)函數(shù)計算，即無需拆車進行FRF的測試。所以：OPA測點需要包括車身被動側(cè)振動，空氣傳遞路徑中的近場噪聲，車內(nèi)目標點。本次試驗過程中部分振動測點描述如圖 2所示。測點清單詳見下表：
表1 試驗測點清單
根據(jù)OPA技術(shù)理論確定詳細的傳遞路徑模型，由于結(jié)構(gòu)傳遞路徑為兩級傳遞，故需要先做第一級結(jié)構(gòu)傳遞路徑+空氣傳遞路徑的分析，若結(jié)果為結(jié)構(gòu)傳遞路徑為主要貢獻，則需要進一步進行第二級傳遞路徑分析。試驗測試過程中需要把所有測點同時進行測試，盡量不要分批測量。主要原因為OPA在計算傳導(dǎo)函數(shù)過程中載荷會對傳導(dǎo)函數(shù)產(chǎn)生影響，分批測量很難控制每一次測試過程中的激勵載荷一致。
3.   小結(jié)：
本試驗中測試工況包括：1. 3擋WOT；2. 熱機怠速工況。測試過程中應(yīng)用Simcenter SCADS mobile數(shù)采前端（V8E板卡）搭配Simcenter TestLab Signature Advance軟件模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效準確測量。
以下基于試驗數(shù)據(jù)的不同工況的OPA分析 
  • 怠速工況下基于OPA的傳遞路徑分析：
1. 怠速工況目標點數(shù)據(jù)分析及問題定義
圖3 怠速工況車內(nèi)目標點數(shù)據(jù)
根據(jù)圖 3所示，發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速750rpm，故發(fā)動機二階激勵頻率為25Hz。車內(nèi)噪聲主要貢獻來自于發(fā)動機二階激勵噪聲，單一峰值噪聲達到52dB(A), 車內(nèi)總聲壓級為55dB(A)。車內(nèi)噪聲大，主觀感覺較差；座椅導(dǎo)軌振動主要貢獻也為發(fā)動機二階激勵，Z方向&X方向均振動較大。同時在9.28Hz處出現(xiàn)異常振動；方向盤振動主要貢獻為發(fā)動機二階激勵，無異常振動，X方向&Y方向振動量級較大。
傳遞路徑分析過程中主要關(guān)注25Hz處擬合情況及該頻率段內(nèi)的傳遞路徑貢獻。
2.    怠速工況OPA傳遞路徑分析
2.1 傳導(dǎo)函數(shù)的計算
在工況OPA傳遞路徑分析中，傳導(dǎo)函數(shù)的計算精度與方法極大的影響了最終傳遞路徑的分析結(jié)果。首先需要注意的是，不論最終需要分析的工況是什么，都需要根據(jù)升降速（掃頻，通常應(yīng)用WOT數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)進行傳導(dǎo)函數(shù)的計算，這是因為傳導(dǎo)函數(shù)取決載荷狀態(tài)，只有對不同轉(zhuǎn)速不同載荷狀態(tài)下的傳導(dǎo)函數(shù)進行平均處理，才能獲取較為可信的傳導(dǎo)函數(shù)。而西門子工業(yè)軟件Simcenter Test Lab軟件中的Multi-reference Postprocessing模塊可幫助我們進行奇異值解耦、主分量分解；同時去除路徑間的相互干擾，最終得到各個載荷點振動響應(yīng)信號到車內(nèi)目標點的傳導(dǎo)函數(shù)。
如圖 4所示，在Multi-reference Postprocessing模塊中可快速高效的獲取各個載荷點至目標點的傳導(dǎo)函數(shù)。其中需要注意的是“Relative”參數(shù)的設(shè)定，該參數(shù)若設(shè)置過大，會造成干擾剔除過多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真；而過小則各個路徑間的相關(guān)干擾會影響傳導(dǎo)函數(shù)數(shù)據(jù)質(zhì)量。故在實際操作過程中需要多次計算尋求一個較為準確合理的量值，初次計算推薦先使用“0.1”作為經(jīng)驗值判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量。本案例中即應(yīng)用0.1作為閥值獲取傳導(dǎo)函數(shù)。
圖4 傳函函數(shù)的計算
2.2 OPA傳遞路徑分析
在獲取較為可信的傳導(dǎo)函數(shù)后，依賴具體工況下的工況數(shù)據(jù)即可完成OPA傳遞路徑分析。其中具體操作與經(jīng)典TPA基本一致，注意事項如下：
（1）TPA建模過程中路徑定義過程中，由于應(yīng)傳導(dǎo)函數(shù)，故需要將結(jié)構(gòu)路徑的由默認的Force-N更改為Acceleration—m/s²；空氣路徑的由默認的VolumeAcceleration—m³/s²更改為Pressure—Pa。
（2）無需定義Indicator點，工況數(shù)據(jù)導(dǎo)入與經(jīng)典TPA一致
（3）傳遞函數(shù)導(dǎo)入界面需要導(dǎo)入計算好的傳導(dǎo)函數(shù)
（4）無實際載荷生成，根據(jù)公式直接獲取各條傳遞路徑的貢獻量。
由于商用車為非承載式車身，即存在車架，故結(jié)構(gòu)傳遞路徑中為二級傳遞。在OPA分析中首先針對車架測接附點路徑進行分析。即傳遞路徑模型=車架與車身接附點視為結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑+空氣聲傳遞路徑。擬合結(jié)果如圖 5所示
圖5 怠速工況下傳遞路徑擬合結(jié)果
怠速工況下針對主要關(guān)注頻率即發(fā)動機二階、四階、六階OPA合成結(jié)果與實測曲線吻合非常良好。結(jié)果可信，可根據(jù)該結(jié)果針對怠速車內(nèi)噪聲進行結(jié)構(gòu)傳遞路徑及空氣傳遞路徑分離。其結(jié)果如圖 6所示，基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的2階噪聲綠色曲線與紅色曲線吻合，即結(jié)構(gòu)傳遞路徑占主要貢獻；4階噪聲處藍色曲線與紅色曲線基本吻合，即空氣傳遞路徑占主要貢獻；140Hz-300Hz頻帶范圍內(nèi)基本為結(jié)構(gòu)傳遞路徑占主要貢獻。
圖6 結(jié)構(gòu)傳遞路徑及空氣傳遞路徑分離
針對問題頻率進行更為深入分析，按餅狀圖進行貢獻量排序：針對怠速2階車內(nèi)噪聲，結(jié)構(gòu)噪聲占主要貢獻，其中左前車身懸置貢獻最大，其后依次為右后車身懸置、右前車身懸置等?？諝鈧鬟f路徑貢獻不大，具體結(jié)果如所示
圖7 車內(nèi)2階噪聲貢獻量分析結(jié)果
針對怠速4階車內(nèi)噪聲，按餅狀圖進行貢獻量排序：空氣傳遞路徑占主要貢獻，其中貢獻較大分別為發(fā)動機上表面發(fā)動機輻射噪聲、發(fā)動機前表面輻射噪聲、排氣管口噪聲。具體結(jié)果如圖 8所示
圖8 車內(nèi)4階噪聲貢獻量分析結(jié)果
由于怠速2階噪聲主要結(jié)構(gòu)路徑傳遞，故針對動力總成、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇等系統(tǒng)傳遞至車架的路徑進行更為深入的結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑分析，即將車架考慮為被動側(cè)。針對動力總成、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等傳遞至車架的結(jié)構(gòu)傳遞路徑+空氣傳遞路徑建模并進行OPA分析，OPA擬合Total值與實測曲線吻合良好，結(jié)果可信。具體結(jié)果如圖 9所示
圖9 進一步傳遞路徑分析擬合結(jié)果
按餅狀圖貢獻量排序：可發(fā)現(xiàn)左側(cè)風(fēng)扇，進氣干凈管與車架安裝點（無隔振），對車內(nèi)噪聲貢獻較大。進氣干凈管與車架間無隔振，建議安裝橡膠隔振同時排查冷卻風(fēng)扇左側(cè)安裝懸置的隔振情況。具體結(jié)果如所示：
圖10 針對怠速2階噪聲的進一步傳遞路徑分析結(jié)果
  • 3擋WOT工況下基于OPA的傳遞路徑分析
1. 3擋WOT工況目標點數(shù)據(jù)分析及問題定義
圖11 3擋WOT工況問題定義
3擋全油門加速工況下車內(nèi)噪聲在1340rpm處呈現(xiàn)較為明顯的轟鳴，基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的2階、4階、6階噪聲均對該轟鳴點呈現(xiàn)較為明顯的貢獻。
傳遞路徑分析過程中主要關(guān)注該轟鳴處擬合情況及該轉(zhuǎn)速段內(nèi)的傳遞路徑貢獻。
2.  3擋WOT工況OPA傳遞路徑分析
2.1 傳導(dǎo)函數(shù)的計算
由于怠速工況下已經(jīng)完成傳導(dǎo)函數(shù)的計算，故不再贅述。
2.2 OPA傳遞路徑分析
軟件操作方面與怠速工況基本一致，我們直接進入傳遞路徑結(jié)果分析。分析中首先針對車架測接附點路徑進行分析。即傳遞路徑模型=車架與車身接附點視為結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑+空氣聲傳遞路徑。擬合結(jié)果如所示
圖12 3擋WOT工況傳遞路徑擬合結(jié)果
3擋全油門加速工況下針對OA曲線及2階、4階、6階車內(nèi)噪聲曲線，OPA擬合結(jié)果與實測結(jié)果吻合非常好，結(jié)果可信，可根據(jù)該結(jié)果針對加速車內(nèi)噪聲進行結(jié)構(gòu)傳遞路徑及空氣傳遞路徑分離。其結(jié)果如圖 13圖 14所示，在問題轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（1000-1500rpm）均為空氣傳遞路徑為主要貢獻，故對空氣傳遞路徑進行具體分析。
圖13 3檔WOT工況各路徑貢獻量總覽（基于三維頻譜）
—— OPA TotalSimulation——Structureborne  ——Airborne
圖14 3擋WOT工況下結(jié)構(gòu)傳遞路徑及空氣傳遞路徑分離
針對空氣傳遞路徑進行更為深入的分析：首先對Overall Level進行分析，主要貢獻為發(fā)動機整體噪聲輻射、排氣噪聲等。故在以下2、4、6階車內(nèi)噪聲分析中拆分發(fā)動機噪聲輻射路徑至不同表面，具體結(jié)果如下，數(shù)據(jù)曲線如圖 15所示：
2階車內(nèi)噪聲主要貢獻為：
排氣管口噪聲
發(fā)動機后側(cè)輻射噪聲
后橋差速器輻射噪聲
4階車內(nèi)噪聲主要貢獻為：
排氣管口噪聲
發(fā)動機后側(cè)及前側(cè)輻射噪聲
后橋差速器輻射噪聲
6階車內(nèi)噪聲主要貢獻為：
排氣管口噪聲
發(fā)動機上側(cè)輻射噪聲
后橋差速器輻射噪聲
圖15 空氣傳遞路徑深入分析
  • 小結(jié)：
定置怠速工況：
1. 綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，針對怠速工況，車內(nèi)噪聲較大，主觀感覺較差。車內(nèi)噪聲主要貢獻來自于發(fā)動機二階激勵噪聲，單一峰值噪聲達到52dB(A), 車內(nèi)總聲壓及為55dB(A)。
2. 針對怠速噪聲進行結(jié)構(gòu)傳遞路徑及空氣傳遞路徑進行分離：基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的2階噪聲結(jié)構(gòu)傳遞路徑占主要貢獻；4階噪聲空氣傳遞路徑占主要貢獻；
3. 對發(fā)動機2階車內(nèi)噪聲進行較為深入的傳遞貢獻量分析可發(fā)現(xiàn)：左側(cè)風(fēng)扇，進氣干凈管與車架安裝點，對車內(nèi)噪聲貢獻較大。
建議可行優(yōu)化方案：進氣干凈管與車架間無隔振，建議安裝橡膠隔振同時排查冷卻風(fēng)扇左側(cè)安裝懸置的隔振情況。
3檔WOT工況：
1. 綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，針對3擋全油門加速工況，車內(nèi)在1340rpm附近出現(xiàn)明顯轟鳴問題，發(fā)動機2階噪聲，4階噪聲，6階噪聲均對該問題存在較為明顯的貢獻。
2. 針對3檔WOT加速工況車內(nèi)2、4、6階噪聲進行結(jié)構(gòu)傳遞路徑及空氣傳遞路徑進行分離：在問題轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（1000-1500rpm）均為空氣傳遞路徑為主要貢獻，故對空氣傳遞路徑進行具體分析。
3. 空氣傳遞路徑中在問題轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)主要貢獻路徑為：排氣管口噪聲、發(fā)動機輻射噪聲、后橋差速器輻射噪聲。而冷卻風(fēng)扇噪聲、進氣噪聲無明顯貢獻。同時由于主要傳遞路徑為空氣聲傳遞，故無需進行下一級結(jié)構(gòu)傳遞路徑分析（動力總成、進排氣系統(tǒng)等傳遞至車架側(cè)）
 
建議可行優(yōu)化方案：對排氣消聲器結(jié)構(gòu)及駕駛室密封性進行優(yōu)化
 
OPA應(yīng)用的注意事項與局限
 
根據(jù)上述案例我們可以看出，應(yīng)用西門子工業(yè)軟件Test Lab TPA模塊結(jié)合工況傳遞路徑OPA分析方法可以快速高效的獲取準確的傳遞路徑分析結(jié)果，幫助我們在故障診斷過程中尋找到可行的優(yōu)化方案。但是由于OPA本身的局限性，我們在工程實際中應(yīng)用時需要格外注意以下幾點：
1. 耦合問題
圖16 OPA分析過程中的耦合問題（1）
 
如圖 16所示，該分析模型中共有五條傳遞路徑，分別應(yīng)用經(jīng)典TPA與OPA進行傳遞路徑分析。而結(jié)果卻得到了不同的分析結(jié)果：經(jīng)典TPA在4500rpm處為路徑4主要貢獻；OPA在4500rpm處則是路徑1為主要貢獻。造成這種情況的原因是：由于系統(tǒng)的模態(tài)特性，作用在路徑4的載荷引起了路徑1的參考響應(yīng)點強烈振動，從而導(dǎo)致OPA誤判路徑1為主要傳遞路徑。
圖17 OPA分析過程中的耦合問題（2）
 
如圖 17所示，該分析模型中同樣為五條傳遞路徑，分別應(yīng)用經(jīng)典TPA與OPA進行傳遞路徑分析。其中路徑4在實際情況中本身并沒有任何激勵力輸入，但是OPA分析結(jié)果中仍然存在路徑4的貢獻量。這主要是由于OPA分析模型是基于參考響應(yīng)點響應(yīng)-目標點響應(yīng)的傳導(dǎo)函數(shù)模型，只要存在響應(yīng)-響應(yīng)的傳導(dǎo)函數(shù)，分析結(jié)果就會生成該路徑貢獻量。所以在OPA分析過程中一定要準確定義傳遞路徑參考點，避免欠估計或過估計的情況。一旦發(fā)生欠估計或估計，都會對分析結(jié)果產(chǎn)生極大影響，給我們帶來極大困擾。
 
2. 傳遞路徑合成結(jié)果是否能用于判定傳遞路徑模型精度？
 
一般情況下，應(yīng)用OPA分析方法獲取的擬合結(jié)果通常會與目標點實測數(shù)據(jù)具有較高的吻合度，但這并不能代表傳遞路徑模型的質(zhì)量與精度，只能證明在傳導(dǎo)函數(shù)矩陣求逆的過程中，傳導(dǎo)函數(shù)精度高。（其原因為傳導(dǎo)函數(shù)為響應(yīng)-響應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，而通過傳導(dǎo)函數(shù)乘以參考點響應(yīng)獲取目標點響應(yīng)時必然會獲取吻合較高的數(shù)據(jù)結(jié)果，可參考一下公式）
總結(jié)
1. 工況傳遞路徑分析（OPA）與經(jīng)典TPA對比關(guān)系如下：
2. 工況TPA—OPA較經(jīng)典TPA具有試驗快速，測點較少，不需要測量傳遞函數(shù)矩陣，可快速的針對具體問題點實現(xiàn)快速故障診斷。但是也存在自身劣勢
  • 出現(xiàn)強耦合問題，無法揭示系統(tǒng)的因果關(guān)系，較為依賴載荷的狀態(tài)；
  • 無法獲取激勵，即只可以聚焦于激勵源至車身部分的問題，無法判斷車身本身是否存在問題。例如：鈑金薄弱點、聲腔模態(tài)等。而經(jīng)典TPA可獲取車身接附點激勵力，從而輸入給有限元模型實現(xiàn)試驗仿真一體化。
3. 西門子傳遞路徑分析解決方案中單一模塊既包含了經(jīng)典TPA，同時也包含了OPA，實現(xiàn)了低成本高效率的全面解決方案
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