工况TPA(OPA)应用实例

2020-02-09 13:01:49·  来源:浅谈NVH工程应用  作者:苏彬  
 
前言传递路径分析在NVH性能开发与故障诊断过程中是一种非常有效的手段。所谓传递路径分析其实就是获取激励源经传递路径后对目标点噪声或是振动的贡献大小。而非
前言
 
传递路径分析在NVH性能开发与故障诊断过程中是一种非常有效的手段。所谓传递路径分析其实就是获取激励源经传递路径后对目标点噪声或是振动的贡献大小。而非仅仅判断传递函数的贡献量,故需要精确的区分激励力与传递函数之间的相关关系,才能获取较为精确的传递路径分析结果。
 
而传递路径分析方法目前包括:经典TPA(单参考TPA、多参考TPA),工况TPA(OPA & OPAX),部件TPA,时域TPA等。而西门子工业软件Simcenter TEST囊获了以上全部解决方案,帮助大家获取快速准确高效的传递路径分析结果。
工况TPA(OPA)
 
其中工况TPA(OPA)由于耗时短、不需要拆除动力总成等特点被大家越来越多的应用在了故障诊断的过程中。以下对工况TPA的特点进行简单的介绍
 
工况TPA(OPA)由于不需要拆卸动力总成及FRF测试,故测试时间大大缩短,一般工况数据测试仅需要1天左右。该方法通过升降速工况数据基于H1估计方法建立了系统传导特性。所以OPA是响应-响应或是输入点响应-输出点响应关系,这就决定了OPA模型并非系统的因果特性关系!而响应间的传导函数也不是系统特性,而需要依赖于载荷状态。
以下为大家带来一个OPA实例,对工况TPA分析的过程及需要注意的事项进行概况性的讨论,希望给广大的朋友一些启发。
案例分享
  • 基础概述
本案例中为某型商用车,动力总成布置形式为前置后驱,4缸汽油发动机。手动变速箱,无双质量飞轮环节及平衡轴。两级结构传递,动力总成、排气系统等连接于车架,车架通过车身悬置连接于驾驶室。
希望通过传递路径分析解决两个问题点:1. 怠速噪声大;2. 3档WOT工况下车辆在1300rpm附近存在轰鸣。根据以上信息建立传递路径模型并确定测点,以通过西门子工业软件Simcenter TEST Lab软件采集工况数据完成工况TPA分析。
1.   传递路径模型建立:
图1 传递路径模型建立
如图 1所示,驾驶室内车内响应首先分为结构传递路径+空气传递路径。其中空气传递路径中包括:动力总成表面辐射噪声、进排气管口辐射噪声、冷却风扇辐射噪声等;结构传递路径分为两级:第一级为车架即4个车身悬置,第二级为主要激励系统与车架连接点,包括动力总成悬置连接点、冷却风扇隔振连接点、进气系统安装点、排气系统吊耳连接点等。
2.   试验测点布置:
图2 试验测点示意图
基于OPA的传递路径分析过程通过接附点被动端数据及车内目标点数据进行传导函数计算,即无需拆车进行FRF的测试。所以:OPA测点需要包括车身被动侧振动,空气传递路径中的近场噪声,车内目标点。本次试验过程中部分振动测点描述如图 2所示。测点清单详见下表:
表1 试验测点清单
根据OPA技术理论确定详细的传递路径模型,由于结构传递路径为两级传递,故需要先做第一级结构传递路径+空气传递路径的分析,若结果为结构传递路径为主要贡献,则需要进一步进行第二级传递路径分析。试验测试过程中需要把所有测点同时进行测试,尽量不要分批测量。主要原因为OPA在计算传导函数过程中载荷会对传导函数产生影响,分批测量很难控制每一次测试过程中的激励载荷一致。
3.   小结:
本试验中测试工况包括:1. 3挡WOT;2. 热机怠速工况。测试过程中应用Simcenter SCADS mobile数采前端(V8E板卡)搭配Simcenter TestLab Signature Advance软件模块实现数据的高效准确测量。
以下基于试验数据的不同工况的OPA分析 
  • 怠速工况下基于OPA的传递路径分析:
1. 怠速工况目标点数据分析及问题定义
图3 怠速工况车内目标点数据
根据图 3所示,发动机怠速转速750rpm,故发动机二阶激励频率为25Hz。车内噪声主要贡献来自于发动机二阶激励噪声,单一峰值噪声达到52dB(A), 车内总声压级为55dB(A)。车内噪声大,主观感觉较差;座椅导轨振动主要贡献也为发动机二阶激励,Z方向&X方向均振动较大。同时在9.28Hz处出现异常振动;方向盘振动主要贡献为发动机二阶激励,无异常振动,X方向&Y方向振动量级较大。
传递路径分析过程中主要关注25Hz处拟合情况及该频率段内的传递路径贡献。
2.    怠速工况OPA传递路径分析
2.1 传导函数的计算
在工况OPA传递路径分析中,传导函数的计算精度与方法极大的影响了最终传递路径的分析结果。首先需要注意的是,不论最终需要分析的工况是什么,都需要根据升降速(扫频,通常应用WOT数据)数据进行传导函数的计算,这是因为传导函数取决载荷状态,只有对不同转速不同载荷状态下的传导函数进行平均处理,才能获取较为可信的传导函数。而西门子工业软件Simcenter Test Lab软件中的Multi-reference Postprocessing模块可帮助我们进行奇异值解耦、主分量分解;同时去除路径间的相互干扰,最终得到各个载荷点振动响应信号到车内目标点的传导函数。
如图 4所示,在Multi-reference Postprocessing模块中可快速高效的获取各个载荷点至目标点的传导函数。其中需要注意的是“Relative”参数的设定,该参数若设置过大,会造成干扰剔除过多,导致数据失真;而过小则各个路径间的相关干扰会影响传导函数数据质量。故在实际操作过程中需要多次计算寻求一个较为准确合理的量值,初次计算推荐先使用“0.1”作为经验值判断数据质量。本案例中即应用0.1作为阀值获取传导函数。
图4 传函函数的计算
2.2 OPA传递路径分析
在获取较为可信的传导函数后,依赖具体工况下的工况数据即可完成OPA传递路径分析。其中具体操作与经典TPA基本一致,注意事项如下:
(1)TPA建模过程中路径定义过程中,由于应传导函数,故需要将结构路径的由默认的Force-N更改为Acceleration—m/s²;空气路径的由默认的VolumeAcceleration—m³/s²更改为Pressure—Pa。
(2)无需定义Indicator点,工况数据导入与经典TPA一致
(3)传递函数导入界面需要导入计算好的传导函数
(4)无实际载荷生成,根据公式直接获取各条传递路径的贡献量。
由于商用车为非承载式车身,即存在车架,故结构传递路径中为二级传递。在OPA分析中首先针对车架测接附点路径进行分析。即传递路径模型=车架与车身接附点视为结构声传递路径+空气声传递路径。拟合结果如图 5所示
图5 怠速工况下传递路径拟合结果
怠速工况下针对主要关注频率即发动机二阶、四阶、六阶OPA合成结果与实测曲线吻合非常良好。结果可信,可根据该结果针对怠速车内噪声进行结构传递路径及空气传递路径分离。其结果如图 6所示,基于发动机转速的2阶噪声绿色曲线与红色曲线吻合,即结构传递路径占主要贡献;4阶噪声处蓝色曲线与红色曲线基本吻合,即空气传递路径占主要贡献;140Hz-300Hz频带范围内基本为结构传递路径占主要贡献。
图6 结构传递路径及空气传递路径分离
针对问题频率进行更为深入分析,按饼状图进行贡献量排序:针对怠速2阶车内噪声,结构噪声占主要贡献,其中左前车身悬置贡献最大,其后依次为右后车身悬置、右前车身悬置等。空气传递路径贡献不大,具体结果如所示
图7 车内2阶噪声贡献量分析结果
针对怠速4阶车内噪声,按饼状图进行贡献量排序:空气传递路径占主要贡献,其中贡献较大分别为发动机上表面发动机辐射噪声、发动机前表面辐射噪声、排气管口噪声。具体结果如图 8所示
图8 车内4阶噪声贡献量分析结果
由于怠速2阶噪声主要结构路径传递,故针对动力总成、进气系统、排气系统、冷却风扇等系统传递至车架的路径进行更为深入的结构声传递路径分析,即将车架考虑为被动侧。针对动力总成、进气系统、排气系统等传递至车架的结构传递路径+空气传递路径建模并进行OPA分析,OPA拟合Total值与实测曲线吻合良好,结果可信。具体结果如图 9所示
图9 进一步传递路径分析拟合结果
按饼状图贡献量排序:可发现左侧风扇,进气干净管与车架安装点(无隔振),对车内噪声贡献较大。进气干净管与车架间无隔振,建议安装橡胶隔振同时排查冷却风扇左侧安装悬置的隔振情况。具体结果如所示:
图10 针对怠速2阶噪声的进一步传递路径分析结果
  • 3挡WOT工况下基于OPA的传递路径分析
1. 3挡WOT工况目标点数据分析及问题定义
图11 3挡WOT工况问题定义
3挡全油门加速工况下车内噪声在1340rpm处呈现较为明显的轰鸣,基于发动机转速的2阶、4阶、6阶噪声均对该轰鸣点呈现较为明显的贡献。
传递路径分析过程中主要关注该轰鸣处拟合情况及该转速段内的传递路径贡献。
2.  3挡WOT工况OPA传递路径分析
2.1 传导函数的计算
由于怠速工况下已经完成传导函数的计算,故不再赘述。
2.2 OPA传递路径分析
软件操作方面与怠速工况基本一致,我们直接进入传递路径结果分析。分析中首先针对车架测接附点路径进行分析。即传递路径模型=车架与车身接附点视为结构声传递路径+空气声传递路径。拟合结果如所示
图12 3挡WOT工况传递路径拟合结果
3挡全油门加速工况下针对OA曲线及2阶、4阶、6阶车内噪声曲线,OPA拟合结果与实测结果吻合非常好,结果可信,可根据该结果针对加速车内噪声进行结构传递路径及空气传递路径分离。其结果如图 13图 14所示,在问题转速范围内(1000-1500rpm)均为空气传递路径为主要贡献,故对空气传递路径进行具体分析。
图13 3档WOT工况各路径贡献量总览(基于三维频谱)
—— OPA TotalSimulation——Structureborne  ——Airborne
图14 3挡WOT工况下结构传递路径及空气传递路径分离
针对空气传递路径进行更为深入的分析:首先对Overall Level进行分析,主要贡献为发动机整体噪声辐射、排气噪声等。故在以下2、4、6阶车内噪声分析中拆分发动机噪声辐射路径至不同表面,具体结果如下,数据曲线如图 15所示:
2阶车内噪声主要贡献为:
排气管口噪声
发动机后侧辐射噪声
后桥差速器辐射噪声
4阶车内噪声主要贡献为:
排气管口噪声
发动机后侧及前侧辐射噪声
后桥差速器辐射噪声
6阶车内噪声主要贡献为:
排气管口噪声
发动机上侧辐射噪声
后桥差速器辐射噪声
图15 空气传递路径深入分析
  • 小结:
定置怠速工况:
1. 综合以上分析发现,针对怠速工况,车内噪声较大,主观感觉较差。车内噪声主要贡献来自于发动机二阶激励噪声,单一峰值噪声达到52dB(A), 车内总声压及为55dB(A)。
2. 针对怠速噪声进行结构传递路径及空气传递路径进行分离:基于发动机转速的2阶噪声结构传递路径占主要贡献;4阶噪声空气传递路径占主要贡献;
3. 对发动机2阶车内噪声进行较为深入的传递贡献量分析可发现:左侧风扇,进气干净管与车架安装点,对车内噪声贡献较大。
建议可行优化方案:进气干净管与车架间无隔振,建议安装橡胶隔振同时排查冷却风扇左侧安装悬置的隔振情况。
3档WOT工况:
1. 综合以上分析发现,针对3挡全油门加速工况,车内在1340rpm附近出现明显轰鸣问题,发动机2阶噪声,4阶噪声,6阶噪声均对该问题存在较为明显的贡献。
2. 针对3档WOT加速工况车内2、4、6阶噪声进行结构传递路径及空气传递路径进行分离:在问题转速范围内(1000-1500rpm)均为空气传递路径为主要贡献,故对空气传递路径进行具体分析。
3. 空气传递路径中在问题转速范围内主要贡献路径为:排气管口噪声、发动机辐射噪声、后桥差速器辐射噪声。而冷却风扇噪声、进气噪声无明显贡献。同时由于主要传递路径为空气声传递,故无需进行下一级结构传递路径分析(动力总成、进排气系统等传递至车架侧)
 
建议可行优化方案:对排气消声器结构及驾驶室密封性进行优化
 
OPA应用的注意事项与局限
 
根据上述案例我们可以看出,应用西门子工业软件Test Lab TPA模块结合工况传递路径OPA分析方法可以快速高效的获取准确的传递路径分析结果,帮助我们在故障诊断过程中寻找到可行的优化方案。但是由于OPA本身的局限性,我们在工程实际中应用时需要格外注意以下几点:
1. 耦合问题
图16 OPA分析过程中的耦合问题(1)
 
如图 16所示,该分析模型中共有五条传递路径,分别应用经典TPA与OPA进行传递路径分析。而结果却得到了不同的分析结果:经典TPA在4500rpm处为路径4主要贡献;OPA在4500rpm处则是路径1为主要贡献。造成这种情况的原因是:由于系统的模态特性,作用在路径4的载荷引起了路径1的参考响应点强烈振动,从而导致OPA误判路径1为主要传递路径。
图17 OPA分析过程中的耦合问题(2)
 
如图 17所示,该分析模型中同样为五条传递路径,分别应用经典TPA与OPA进行传递路径分析。其中路径4在实际情况中本身并没有任何激励力输入,但是OPA分析结果中仍然存在路径4的贡献量。这主要是由于OPA分析模型是基于参考响应点响应-目标点响应的传导函数模型,只要存在响应-响应的传导函数,分析结果就会生成该路径贡献量。所以在OPA分析过程中一定要准确定义传递路径参考点,避免欠估计或过估计的情况。一旦发生欠估计或估计,都会对分析结果产生极大影响,给我们带来极大困扰。
 
2. 传递路径合成结果是否能用于判定传递路径模型精度?
 
一般情况下,应用OPA分析方法获取的拟合结果通常会与目标点实测数据具有较高的吻合度,但这并不能代表传递路径模型的质量与精度,只能证明在传导函数矩阵求逆的过程中,传导函数精度高。(其原因为传导函数为响应-响应的数学关系,而通过传导函数乘以参考点响应获取目标点响应时必然会获取吻合较高的数据结果,可参考一下公式)
总结
1. 工况传递路径分析(OPA)与经典TPA对比关系如下:
2. 工况TPA—OPA较经典TPA具有试验快速,测点较少,不需要测量传递函数矩阵,可快速的针对具体问题点实现快速故障诊断。但是也存在自身劣势
  • 出现强耦合问题,无法揭示系统的因果关系,较为依赖载荷的状态;
  • 无法获取激励,即只可以聚焦于激励源至车身部分的问题,无法判断车身本身是否存在问题。例如:钣金薄弱点、声腔模态等。而经典TPA可获取车身接附点激励力,从而输入给有限元模型实现试验仿真一体化。
3. 西门子传递路径分析解决方案中单一模块既包含了经典TPA,同时也包含了OPA,实现了低成本高效率的全面解决方案
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