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尽管在设计建筑设备时,操作人员的舒适性和噪声因素是需要考虑的重要因素,但是通常建筑设备的设计主要是考虑满足其工作需要。现在,安静性已经成为建筑设备产品的关键属性。生产商如果无法达到这个要求的话,在国际市场上将会面临激烈残酷的竞争。原来在产品开发末期的实物试验中,如果出现了噪声问题,生产商就会通过增加隔声部件或者对结构进行改变来减少噪声辐射。但是这些努力往往存在很多臆测的性质,同时费用高昂且耗时,不但没解决问题,反而产生更多的问题。John Deere将安静性设计到建筑设备中,从而开辟了新天地,同时创建了强大的品牌价值,并巩固了本公司在行业内的领导地位。 

声音品质作为竞争优势 

随着政府和建筑设备用户对噪声辐射和操作人员舒适性越来越关注,声音品质已经成为建筑设备行业中产品获得竞争优势的主要因素。通常,振动噪声是到产品开发末期才考虑的事情,而这时的实物试验过程中经常会发生意想不到的噪声级问题。因此在产品开发末期,只能确定设计方案,而无法进行大幅度的设计改动。 

增加声学内饰和其它吸声材料只能削减一定噪声级,而不能解决噪声来源问题。通过结构修改来解决问题常常会增加不必要的材料和重量,这样容易引起设备其它部件的共振。所以这样修改往往不起作用,并且还会产生很多差错。

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迎接全球的挑战 

John Deere希望可以找到更有效的方法来减小其产品的噪声辐射。他们寻找新方法可以让工程师在产品开发的早期阶段有效地预测振动和噪声,而在此时,设计也可以更容易的进行优化。他们采用的战略方法就是将可以预测振动噪声的技术引入一个特殊的产品生产线。 

Deere公司希望在早期减小噪声辐射的目标产品是滑行转向推土机(skid steer loader),这是一种通用机械,车轮由一组液压电机和每一侧的控制阀来驱动。车轮的方向是固定的,车轮的转向由车辆一侧的液压驱动力来实现,而另一侧车轮制动,并在转向过程中滑行。此设备简单的液压驱动和转向概念使其具有很高的可靠性和通用性。 

查明声源 

为这种推土机开发预测技术的振动声学工作需要John Deere公司多个部门的工程师和LMS工程服务部门的通力合作,其中LMS提供技术支持服务,帮助建立声学仿真流程。 

Deere公司选择LMS技术是基于其功能可以满足这些应用的声学需要。LMS Test.Lab具有广泛的试验控制和测量功能,通过其硬件LMS SCADAS II前端系统采集试验数据,并将结果进行分析。这些分析包括对结构噪声进行的传递路径分析(TPA)和对跟踪回到声源的声音路径的空气噪声进行的声源定位分析(ASQ)。LMS Virtual.Lab Noise and Vibration可以提供先进的功能,建立整个系统的仿真模型,将现有部件的试验模型和新设计部件的有限元模型结合起来。基于这个混合模型,LMS Virual.Lab可以预测振动响应和产品配置任意改动后的声级。 

John Deere技术中心(Moline,Illinois)高级NVH工程师Loren DeVries说:“使用LMS软件的优势之一就是整个流程可以在单一的环境中进行,这样可以减少由于数据传输和转换而产生的问题。此外,还可以控制整个流程,轻松容易地进行多种分析,研究设计变动的影响,并将流程应用到其它产品生产中。”

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滑动转向推土机车厢的详细有限元模型用不同的颜色表示车厢不同的结构特性,其中不同颜色代表的是不同的材料特性和部件材料的厚度。

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LMS Virtual.Lab预测功能包括ATV,它将表面速度和一定范围频率内目标位置的声压联系起来。

声学仿真的四个阶段 

KeVries解释说对于推土机来说,流程要经过四个阶段来完成:首先是进行一系列的基本声学试验来识别噪声源;随后进行第二系列试验,量化每一声源的强度并确定声音传递路径;然后建立基于这些试验结果的混合声学模型;最后使用声学仿真模型预测声级,研究设计修改的影响。 

对于基本试验来说,先将一系列麦克风安装在正常工况运行的推土机内部和周围,然后用LMS试验和分析系统进行标准的声学测量。分析试验数据可以根据频率识别出主要噪声源,包括来自发动机的第三阶次峰值和来自液压电机和泵的第九、第十三和第十八阶次峰值。除了这些峰值以外,发动机结构、进气/排气,和风扇也对整体的噪声级产生贡献量。 

为了对每一噪声源的贡献量进行量化,要进行一系列的试验。这些试验包括进行运行模态试验来测量结构上超过1000个点的工况加速度,用来自激振器的力输入进行试验模态分析,还有对传递到操作者耳中的声源进行互逆频响函数测量。分析这些试验数据可以建立噪声传递的路径:TPA进行结构噪声分析(通过车架、悬置、阀组箱等等),ASQ进行噪声在空气中传递的分析(噪声通常来自发动机、车身钢板、进/排气喷嘴)。TPA和ASQ分析表明空气辐射噪声和结构噪声相比,不是主要的噪声源。 

为了建立混合模型,前一阶段通过传递路径分析得到的力函数作为有限元模型的输入载荷,建立表面振动数据,这些数据是在LMS Virtual.Lab中创建推土机的混合声学模型所必需的。结构有限元模型与第二阶段获得的振动响应数据进行相关性分析。在这种混合方法中,试验载荷数据成为虚拟仿真模型的一部分,提供操作者听到的声级的噪声预测。LMS Virtual.Lab中的预测功能包括声学传递向量(ATV),ATV可以将表面速度和目标位置一定范围频率的声压联系起来,还包括模态ATV(MATV),而MATV则可将振动的结构模态与传递向量叠加起来。从声学模型预测的结果再与初始样机试验数据作相关性分析,结果吻合得很好。 

随着声学模型的有效性被证实以后,Deere工程师可以完成整个流程,充分评价推土机的噪声源和声音传递路径,以改进其声音品质。仿真主要针对贡献量最大的噪声源,就是液压噪声。液压噪声是通过结构传递给外部的车身钢板和车厢地板,然后再由这两个结构辐射到空气中。LMS Virtual.Lab模型用于研究不同设计修改方案对全声级的影响。工程师对机械配置的根本性修改比对车架结构的细微修改更有效。这样,声学仿真让工程师可以研究这些修改的影响,并找出最好的改进方法来引导未来的设计,而无需对多个实物样机进行试验。

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为量化每个噪声源的噪声贡献量,工程师进行了试验,测量到推土机车厢上超过1000个点的工况加速度。

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将结构有限元分析得到的振动数据拓印到声学网格上,而此声学网格相当于车厢的内部皮肤。

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将测得的力响应函数应用到有限元模型(左)中可以得到生成混合声学模型(右)所需的振动数据。

流程的优势 

虚拟仿真的优势就在于在对实物进行试验之前就可以清晰地识别出振动噪声源,然后工程师马上就可以研究改动对设计的声级影响。DeVries解释道:“因此就大大减少了对多个实物样机进行的预试验和错误试验,让我们缩短了产品开发的时间,也降低了产品开发的成本,对设计的修改比实物试验更有效。试验仍然是产品开发中重要的一部分,但是开发的意义已经从最后进行故障诊断转变成为一种双重角色,就是获取数据用于在开发早期阶段建立混合模型,同时在接近开发结束时验证设计方案是否满足设计目标。” 

Deere公司运用声学仿真方法大大地节约了开发时间和开发成本。据DeVries所说,使用基于试验的方法减小噪声需要三到四个实物样机制造过程,每一过程都将耗时数周完成,同时还将耗费数万美元对新铸件、金属板、吸声板和其它部件进行重新设计和装配。预测振动噪声的仿真方法可以将多个实物样机制造过程减少到一个或两个过程,因此能够在相当程度上缩短开发时间并减少开发费用的支出。 

John Deere公司滑动转向推土机生产线的工程经理Gordon Miller说:“声学仿真的优势不仅限于时间和成本的节约。在全球建筑设备市场上噪声控制已经变得越来越重要,因此使用高效的分析工具是至关重要的,这样可以减少进行实物试验的次数,进而加快新产品投放市场的速度。”

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