西门子工程咨询服务团队解决方案之部件TPA与虚拟样机装配

众所周知，近年来我国汽车行业发展迅猛，技术进步显著，车辆NVH性能不断攀升。但与此同时消费者对我们的要求也越来越高，我们仍然面临巨大的压力和挑战。

首先，我们的车辆改型越来越多，同一套动力系统搭载不同的车身平台，关键零部件的借用沿用等导致我们有大量重复的验证工作要做，限于大部分改型车辆开发周期较短，在样车前期对车内一级NVH指标的预估以及风险识别变得尤为重要。

其次，当前绝大部分主机厂缺少整车一级指标VTS与子系统技术指标SSTS间定量化的客观关联描述。VTS与SSTS来源于对标车辆与经验数据库，并不具备完善的理论关联。我们知道汽车子系统及零部件庞杂，限于工程边界有相当一部分零部件不能完全达标，我们如何识别超标部分所带来的风险？如何定量化描述？又要在其他哪些系统上做何种程度的补偿才能保证VTS的达成？相信这对大部分NVH体系都是具有相当挑战性的。当前的主流做法是依靠经验，做趋势性判定及风险规避，急需改善。

再次，主机厂与零部件供应商间缺少互相认可的统一的技术规范。主机厂获取的零部件NVH数据大部分来源于整车边界，尤其是对标车。零部件供应商获得的数据绝大部分来源于台架。通常二者差别较大，很难统一。即便双方约定的都是台架测试边界，在台架下该种表现的部件会在整车上造成多大的车内贡献仍然难以评估。

西门子工程咨询服务团队针对上述挑战的解决方案在部件TPA （Component based TPA）既CTPA和虚拟样机装配（Virtual Prototype Assembling）技术简称VPA。CTPA可以不依赖于部件安装的具体边界条件获取部件的独立不变载荷，统一主机厂和供应商的评价方法。虚拟样机装配技术可以在项目开发的不同阶段灵活组合Test与CAE数据进行目标点NVH预估，前置定量化评估NVH指标与风险。

CTPA与VPA理论背景

经典TPA的优缺点：经典TPA理论将系统建模为 “源-传递路径-接受体”。源头可以是任意向系统输入能量的主动部件，比如空调压缩机，电总成，车轮总成等，传递路径可以是悬置，副车架，车身等，接受体可以是我们感兴趣的目标位置的振动噪声，比如车内噪声，方向盘振动等。经典TPA是一个非常强大的工具，它提供了一套理论和实践方法让我们能够洞悉激励载荷与传递路径的细节。一旦激励源及其传递路径被量化和建模，它们可以用于故障诊断，判定激励源与传递路径问题点，也可以用来做目标设定和分解。经典TPA所获取的载荷（在这以结构载荷为例）是与激励源的安装边界相关的。同一激励源安装在不同的边界条件下所获得的载荷是存在差异的。通常，我们称这样的结构载荷为接触力，也就是说，运行条件下的接触力会随安装边界的变化而变化。另一方面，经典TPA需要一个完整的物理样机才能进行载荷识别及目标预测。

CTPA与VPA的基本原理：CTPA获取激励源不依赖于安装边界的独立不变载荷（对于结构载荷而言，我们称作刚性约束力），然后将这个不变载荷转化为激励源安装在被动侧结构上的接触力（这个过程也称之为虚拟装配VPA），然后进行目标预测（也就是贡献量分析）。举例设想，零部件供应商在台架的边界条件下获取部件的不变载荷，主机厂利用该载荷转化为整车被动侧结构的接触力进而进行车内NVH预测。我们可以看到，主机厂与供应商之间有了统一的可供对比评价的不变载荷，同时也不需要真实完备的物理样机就可以进行目标NVH预测。

下图案例中，利用经典TPA在台架边界条件下获取电机的接触力，再利用该接触力和车身传函预估车内NVH表现，我们看到实测结果（黑色）和TPA合成结果（蓝色）存在较大差异。第二种方案利用CTPA技术获取电机在台架上的刚性约束力（不变载荷），再将该刚性约束力与特定车身结构结合转换为接受体被动侧的接触力，借助该接触力与车身传函预估车内NVH表现，我们看到实测结果（黑色）与TPA合成结果（绿色）匹配良好。

激励源不变载荷的获取方式：激励源不变载荷的获取方式常见有以下三种。第一种方法为直接测量法，将所测试部件刚性约束于测试平台，用力传感器直接测试安装界面力。要求测试平台在感兴趣的频率范围内不发生共振，该方法对某些小型部件，频率要求较低部件有效，但对于如电驱总成等大型部件较为困难；第二种方法为自由振速法，将所测试部件置于自由-自由边界条件下（如弹性绳悬挂或空气弹簧支撑等），测试感兴趣界面振速。该方法已有ISO标准详细描述，同样该方法的使用仍然具有较强的局限性；第三种方法为现场TPA法，源头正常安装于所测试结构，利用运行工况数据

虚拟样机装配典型应用展示：下图所示，专家团队创建不同的组件模型，在这些组件背后，是一系列由试验或者仿真数据组成的以虚拟装配理论为基础的数据集。这些专家可以是测试或仿真工程师。一旦这些模型被专家标定后，他们就可以使用模板在中心组件数据库中发布模型。这些组件可以被用来以一种可视化的方式创建一个虚拟的汽车组装模型。最后，一个庞大的分析团队可以使用虚拟车辆模型来评估车辆NVH性能的多个方面，如贡献量分析，导入到NVH驾驶模拟器，通过噪声预估等。

如何保证CTPA的试验精度

频响函数的重要性：无论载荷识别还是目标点NVH预测都必须要有高质量的频响函数，CTPA与VPA计算过程存在大量矩阵求逆，传函中的微小误差可能在求逆后被放大。

现场TPA在做耦合状态传函测试时由于尺寸空间限制，很多位置，方向无法用力锤激励，无法满足稳定重复的激励位置和激励角度，激励能量弱传函相干很差。为了解决上述问题西门子开发了一些列型号的小型激振器和激振器适配底座以保证高质量，集中能量，稳定重复的激励。同时在一次较为大型的CTPA，VPA试验中传函的数量可能有几百条，西门子软件工具支持批量快速的传函质量检查，如互异性，相干等。

位置精度的重要性： 频响函数对几何位置非常敏感，有些位置无法施加激励/布置传感器，有些位置不仅需要平动自由度，还需要旋转自由度的频响函数。西门子的解决方案在虚拟位置转换VPT，通过对周边点的激励和几何信息最终合成至我们感兴趣的位置。

CTPA，VPA典型应用案例

CTPA，VPA在国外已有大量应用案例，BMW后驱电总成CTPA，Goodyear路噪CTPA，Hyundai路噪CTPA，Aisin动力总成CTPA, Hitachi转向电机…国内近两年也有很多主机厂及零部件供应商陆续开展该项工作，如感兴趣请和我们联系。

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