CN105808828A - 一种动力总成悬置解耦快速设计优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种动力总成悬置解耦快速设计优化方法，采用MATLAB编程与计算平台实现动力总成六自由度刚体的模态频率与解耦率的计算，在充分考虑多个目标的前提下，建立模态频率目标模型、模态解耦率目标模型以及悬置刚度制造目标模型，最终定义优化目标函数,可同时对悬置系统安装位置、刚度以及安装角度进行优化设计。本发明不依赖于现有的商业软件，对动力总成悬置解耦进行分析，大大地提高了分析效率。此外，本发明充分考虑了悬置优化设计过程中的安装位置、刚度以及安装角度，丰富了优化设计变量，为整车概念设计阶段动力总成设计提供了丰富的求解资源。同时，还考虑设计过程中的避频和悬置制造约束，避免了后期动力总成在整车工况下的不匹配。

Description

一种动力总成悬置解耦快速设计优化方法

技术领域

本发明属于汽车整车NVH技术领域，涉及动力总成悬置解耦设计技术。

背景技术

舒适性是汽车主要性能指标之一，而动力总成悬置系统的振动传递特性对汽车舒适性起着重要影响。动力总成悬置系统的首要任务是隔离动力总成的振动向车架、车身及车厢内部传递，尤其是控制动力总成怠速工况下的低频抖动，并隔离动力总成高速运转时引起的车内噪声。长久以来，设计性能良好的动力总成悬置系统，改善整车舒适性，一直是汽车研究者和设计工程师所关心的重要课题。

由于系统的固有模态之间存在运动耦合，即某一自由度方向上的振动会激起其它方向的振动，对悬置系统的振动控制和隔振不利。此外，在动力总成怠速工况下，动力总成倾覆力矩主谐量的频率与动力总成刚体振动模态较为接近，模态耦合使得隔振性能恶化。因此，动力总成悬置系统设计的基本任务是，解决动力总成的各刚体振动模态的频率配置问题和振动耦合问题。国内外主要应用能量法解耦和振动理论对传统的橡胶垫的刚度、位置及倾角等参数进行优化设计。

目前，国内多数的整车单位在动力总成悬置解耦方面都是采用商业分析软件，如：ADAMS、Nastran等，这些分析软件虽然有较高的求解精度，但是分析时间相对较长，如果进行优化那么时间成本较高；此外，这些悬置解耦分析软件大都不能同时支持悬置安装位置、刚度、安装角度多类变量的混合优化设计。因此，本发明的目的就是提供一种悬置解耦快速设计优化工具，并且在优化过程中考虑悬置所涉及的各类变量，而且满足动力总成在整车中的频率性能。

发明内容

本发明属于汽车领域，涉及一种动力总成悬置解耦快速设计优化方法，本发明不依赖于商业分析软件，采用MATLAB编程与计算平台实现动力总成六自由度刚体的模态频率与解耦率的计算，在充分考虑多个目标的前提下，建立模态频率目标模型、模态解耦率目标模型以及悬置刚度制造目标模型，最终定义优化目标函数,可同时对悬置系统安装位置、刚度以及安装角度进行优化设计。

本方法采用文件交互的方式进行数据的输入，以及设计优化结果的输出，具体实现步骤如下：

步骤1：文件INPUT.dat中输入动力总成优化设计信息，输入信息具体如下：

●模态频率和解耦率设计要求(第12-18行)

通过第12-18行定义模态频率目标和解耦率目标函数。每一行包含六个参数，分别为模态频率目标权重、下限、上限，以及解耦率权重、下限、上限。共有六行，分别表示刚体模态六个方向，即整车Y向平移(FOR/AFT)、整车X向平移(LATERAL)、整车Z向垂直平移(BOUNCE)、整车绕Y轴转动(ROLL)、整车绕X轴转动(PITCH)和整车绕Z轴转动(YAW)。

●发动机质心位置(第23行)

发动机在整车坐标系中的位置(X、Y、Z)定义在第23行。

●整车坐标系与动力总成坐标系转换关系(第26-28行)

整车坐标系与动力总成坐标系之间的转换矩阵列在第26-28行。

●动力总成质量与转动惯量(第31行)

第31行定义动力总成质量信息，其中动力总成质量定义为MASS，惯性矩列出顺序分别为：I11、I21、I22、I31、I32和I33。

●悬置个数(第35行)

第35行定义分析模型中的悬置个数，如：三点悬置设为3，四点悬置设为4。

●悬置安装位置(第39-41行)

第39-41行分别定义了悬置在X、Y、Z三个方向下的安装坐标。其中，第1列表示该方向坐标是否为设计变量(Y：是，N：否)；第2列和第3列分别表示安装位置设计区间的下限和上限；第4行表示安装初始值。此外，如果某一方向的坐标不作为设计变量，则该方向坐标值选为初值。

●悬置刚度(第44-46行)

第44-46行分别定义了悬置K1、K2、K3三个方向刚度。其中，第1列表示该方向刚度是否为设计变量(Y：是，N：否)；第2列和第3列分别表示刚度设计区间的下限和上限；第4行表示刚度初始值，设计区间内任意值。

●悬置安装角度(第49-51行)

第49-51行分别定义了悬置绕发动机X、Y、Z三轴的转动角度。其中，第1列表示该旋转角度是否为设计变量(Y：是，N：否)；第2列和第3列分别表示旋转角度设计区间的下限和上限；第4行表示旋转角度初始值，设计区间内任意值。

●悬置刚度比值(第54-56行)

第54-56行分别定义了悬置K1/K2、K1/K3、K2/K3比值，其中K1、K2、K3分别表示悬置弹性主轴刚度。

步骤2：利用式(1)(2)(3)(4)(5)建立动力总成悬置系统动力学模型，并采用式(6)(7)计算系统振型和频率。

惯性质量矩阵M：

$M=\left[\begin{array}{cccccc}m& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& m& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& m& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& I_{xx}& -I_{xy}& -I_{xz}\\ 0& 0& 0& -I_{xy}& I_{yy}& -I_{yz}\\ 0& 0& 0& -I_{xz}& -I_{yz}& I_{zz}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，m表示动力总成质量，Ixx、Iyy、Izz、Ixy、Ixz、Iyz分别表示动力总成绕X轴、Y轴、Z轴、XY、XZ和YZ的转动惯量。

悬置弹性主轴坐标系转换矩阵B：

B＝B₃B₂B₁(2)

其中，θ₁、θ₂和θ₃分别表示弹性主轴u、v、w与动力总成坐标系x、y、z三轴的夹角。

$B_1=\left[\begin{array}{ccc}1.0& 0.0& 0.0\\ 0.0& {\mathrm{cos\θ}}_1& {\mathrm{sin\θ}}_1\\ 0.0& -{\mathrm{sin\θ}}_1& {\mathrm{cos\θ}}_1\end{array}\right],B_2=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_2& 0.0& -{\mathrm{sin\θ}}_2\\ 0.0& 1.0& 0.0\\ {\mathrm{sin\θ}}_2& 0.0& {\mathrm{cos\θ}}_2\end{array}\right],$

$B_3=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_3& {\mathrm{sin\θ}}_3& 0.0\\ -{\mathrm{sin\θ}}_3& {\mathrm{cos\θ}}_3& 0.0\\ 0.0& 0.0& 1.0\end{array}\right]---\left(3\right)$

刚体位移转换矩阵E：

$E_i=\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& z_i& -y_i\\ 0& 1& 0& -z_i& 0& x_i\\ 0& 0& 1& y_i& -x_i& 0\end{array}\right]---\left(4\right)$

E_i表示第i个悬置的刚体位移转换矩阵。

系统刚度矩阵K：

$K=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}(E_i^T\·B_i^T\·D_i\·B_i\·E_i)---\left(5\right)$

其中，矩阵D表示悬置主轴刚度矩阵D＝diag(k_u、k_v、k_w)，k_u、k_v、k_w分别表示悬置主轴u，v，w的刚度。

由悬置系统自由振动微分方程求解系统振型与频率ω：

步骤3：当系统作第i阶模态振动时，系统频率为ω_i，悬置系统在该阶振动的动能通过式(7)计算，其中，与分别表示第i阶振动下，第j列和第k列振型元素；m_kl表示质量矩阵M中第k行第l列元素。当系统作第i阶模态振动时，作用在第k个广义坐标的动能由式(8)计算；第k个广义坐标动能所占百分比由式(9)计算。

步骤4：模态频率目标函数是确定动力总成六个方向频率的范围，使得优化后的结果模态频率尽量集中在设计范围内。该目标函数由式(10)计算：

$F_e=\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\left\{w_{ej}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{ij}{(f_i-{\hat{f}}_j)}^2\right\}---\left(10\right)$

其中，F_e是表征六个方向模态频率f_i与目标模态频率的对比值。不同方向频率之间的差异通过解耦率η_ij作为权重；第二权重值w_ej表示不同方向频率考虑的重要性。F_e越小表示设计结果越接近目标频率，最好的设计结果就是F_e值为0。目标模态频率由式(11)计算，与分别表示第j阶模态频率期望下限和上限。

${\hat{f}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{\hat{f}}_{jmin},& f_i<{\hat{f}}_{jmin}\\ f_i,& {\hat{f}}_{jmin}\&le;f_i\&le;{\hat{f}}_{jmax}\\ {\hat{f}}_{jmax},& f_i>{\hat{f}}_{jmax}\end{array}\right.---\left(11\right)$

模态解耦率目标函数F_d是表征设计结果满足解耦率目标的程度，该目标函数由式(12)计算：

$F_d=\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{w_{dj}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}\&lsqb;d_{ij}(1.0-d_{ij})\&rsqb;\},d_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}0.0,& {\mathrm{\&eta;}}_{ij}<{\mathrm{\&eta;}}_{j\min }\\ {\mathrm{\&eta;}}_{ij},& {\mathrm{\&eta;}}_{j\min }\&le;{\mathrm{\&eta;}}_{ij}\&le;{\mathrm{\&eta;}}_{j\max }\\ 1.0,& {\mathrm{\&eta;}}_{ij}>{\mathrm{\&eta;}}_{j\max }\end{array}\right.---\left(12\right)$

式中，d_ij表示第j阶解耦率值百分比值，η_jmin与η_jmax表示第j阶解耦率期望下限和上限，权重w_dj表示工程师对第j个方向解耦率的重视程度。F_d值越小，表示解耦效果越好，当值为0时，表示完全达到工程师解耦要求。

悬置刚度目标函数F_m是保障悬置设计刚度需满足制造要求，该目标函数由式(13)计算：

$F_m=\underset{mounts}{\mathrm{\&Sigma;}}\left\{\underset{r=\frac{K1}{K2},\frac{K1}{K3},\frac{K2}{K3}}{\mathrm{\&Sigma;}}\left[\begin{array}{cc}{\left(\frac{1.2r_{\min }-r}{0.2r_{\min }}\right)}^2,& r<1.2r_{\min }\\ 0,& 1.2r_{\min }\&le;r\&le;0.8r_{\max }\\ {\left(\frac{r-0.8r_{\max }}{0.2r_{\max }}\right)}^2,& r>0.8r_{\max }\end{array}\right]\right\}---\left(13\right)$

其中，r表示悬置刚度比值

步骤5：优化目标函数优化，为了兼顾考虑动力总成优化设计过程中模态频率目标F_e、模态解耦率目标F_d和悬置刚度制造目标F_m，定义PTM-RDOT的优化目标函数F：

F＝(1+F_e)(1+F_d)(1+F_m)(14)

采用遗传算法对悬置系统的安装位置、刚度和安装角度进行优化，使得优化目标函数(14)最小，优化结果满足模态频率目标、模态解耦率目标和悬置刚度制造目标。

步骤6：输出模型分析/优化结果到OUTPUT.dat文件中，分析结果包括：分析时间，动力总成质量矩阵，动力总成刚度矩阵，设计优化结果，模态频率设计要求，动力总成模态频率性能，动力总成悬置解耦率，模态频率目标函数矩阵，模态解耦率目标函数矩阵，悬置刚度制造比率目标函数矩阵，优化目标函数值。

●分析时间(第10-14行)

第10行表示模型分析(或优化)开始时间；第12行表示模型分析(或优化)结束时间；第14行表示模型分析(或优化)过程消耗时间。

●动力总成质量矩阵(第18-23行)

第18-23行输出动力总成6×6质量矩阵。

●动力总成刚度矩阵(第25-30行)

第25-30行输出动力总成6×6刚度矩阵。

●设计优化结果(第33-42行)

第35行输出优化后的悬置安装位置、刚度和旋转角度设计结果；第36行表示对应的参数是否为设计变量。

●模态频率设计要求(第47-52行)

第48行输出六个运动方向(FOR/AFT、LATERAL、BOUNCE、ROLL、PITCH和YAW)模态频率设计下限；第50行输出模态频率设计上限；第52行输出模态频率设计权重。

●动力总成模态频率性能(第56-57行)

第56行输出六个运动方向(FOR/AFT、LATERAL、BOUNCE、ROLL、PITCH和YAW)振动所对应的模态阶次；第57行输出六个运动方向振动对应的模态频率值。

●动力总成悬置解耦率(第60-67行)

第61行输出6个方向(FOR/AFT、LATERAL、BOUNCE、ROLL、PITCH和YAW)模态解耦率；第63-67行输出6个方向模态解耦率矩阵。

●模态频率目标函数矩阵(第70-76，92行)

第71-76行输出模态频率目标函数矩阵；第92行输出模态频率目标函数值。

●模态解耦率目标函数矩阵(第79-84，95行)

第79-84行输出模态解耦率目标函数矩阵；第95行输出模态解耦率目标函数值。

●悬置刚度制造比率目标函数矩阵(第86-89，98行)

第86-89行输出悬置刚度制造比率目标函数矩阵；第98行输出悬置刚度制造比率目标函数值。

●优化目标值函数值(第101行)

第101行输出目标函数值。

本方法通过动力总成悬置系统信息建立动力总成运动方程，求解系统的固有频率和振型，利用能量法解耦理论计算各阶频率下解耦率。为了提高悬置系统优化效率，并且兼顾系统频率匹配和解耦率设计要求，分别建立了模态频率目标函数、解耦率目标函数以及悬置刚度目标函数，通过以上目标函数统一了悬置系统在各阶振动下的频率匹配设计、解耦率设计和悬置刚度制造工艺要求，再通过优化目标函数综合三个设计目标，形成单一优化目标。优化模型的优化目标为目标函数值最小，设计变量选取各个悬置的安装位置、悬置刚度和安装角度三类设计变量，采用遗传算法进行优化。

本发明不依赖于现有的商业软件，对动力总成悬置解耦进行分析，大大地提高了分析效率。此外，本发明充分考虑了悬置优化设计过程中的安装位置、刚度以及安装角度，丰富了优化设计变量，为整车概念设计阶段动力总成设计提供了丰富的求解资源。同时，还考虑设计过程中的避频和悬置制造约束，避免了后期动力总成在整车工况下的不匹配。

附图说明

图1是动力总成悬置系统快速设计优化工具技术流程图；

图2是INPUT输入文件设计要求和动力总成信息图；

图3是INPUT输入文件1号悬置设计优化信息图；

图4是INPUT输入文件2号和3号悬置设计优化信息图；

图5是OUTPUT输出文件系统信息图；

图6是OUTPUT输出文件系统优化后性能图；

图7是OUTPUT输出文件优化目标值图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的与优点，下面通过对某车型动力总成优化设计实例对本发明做进一步说明，并对本发明的综合性能进行验证。

为了更好地说明本方法，对方式使用到的坐标系进行说明：

整车坐标系G-XYZ：原点位于整车静止状态的质心处，Z轴正方向垂直向上，X轴正方向指向整车后方，Y轴根据右手定则确定。

动力总成坐标系g-xyz：坐标原点位于动力总成质心处，x轴与发动机曲轴方向平行，正向指向发动机侧；z轴垂直气缸上端盖法兰平面，y轴通过右手准则定义。

以下是对某车型动力总成优化设计的具体实施步骤：

步骤1：在INPUT.dat文件中输入动力总成和优化设计信息，如图2、图3、图4所示，具体参数如下：

●模态频率和解耦率设计要求(第12-18行)

表1模态频率和解耦率设计要求

●发动机质心位置(第23行)

发动机在整车坐标系中的位置(-203.87,78.33,148.4)mm。

●整车坐标系与动力总成坐标系转换关系(第26-28行)

$T=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ -1& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

●动力总成质量与转动惯量(第31行)

动力总成质量为0.174吨，惯性矩(I11、I21、I22、I31、I32和I33)为：4852,706,10000,1752,168,9128。

●悬置个数(第35行)

三点悬置：3

●悬置安装位置(第39-41、60-62、81-83行)

三个悬置的安装位置如表2和表3所示，其中左悬置和右悬置的X方向以及后悬置Y方向为设计变量。

表2左悬置和右悬置安装位置

表3后悬置安装位置

●悬置刚度(第44-46，65-67，86-88行)

三个悬置的刚度如表4和表5所示，其中每个悬置的三个方向刚度都作为设计变量。

表4左悬置和右悬置刚度

表5后悬置刚度

●悬置安装角度(第49-51，70-72，91-93行)

三个悬置的安装角度如表6和表7所示，其中每个悬置的三轴安装角度都作为设计变量。

表6左悬置和右悬置安装角度

表7后悬置安装角度

●悬置刚度比值(第54-56，75-77，96-98行)

三个悬置的刚度比值范围如表8和表9所示，其每个悬置刚度制造比值都需要在设计优化过程中考虑。

表8左悬置和右悬置刚度比值范围

表9后悬置刚度比值范围

步骤2：根据以上输入信息，可计算惯性质量矩阵M：

$M=\left[\begin{array}{cccccc}m& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& m& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& m& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& I_{xx}& -I_{xy}& -I_{xz}\\ 0& 0& 0& -I_{xy}& I_{yy}& -I_{yz}\\ 0& 0& 0& -I_{xz}& -I_{yz}& I_{zz}\end{array}\right]---\left(15\right)$

悬置弹性主轴坐标系转换矩阵B：

B＝B₃B₂B₁(16)

其中，θ₁、θ₂和θ₃分别表示弹性主轴u、v、w与动力总成坐标系x、y、z三轴的夹角。

$B_1=\left[\begin{array}{ccc}1.0& 0.0& 0.0\\ 0.0& {\mathrm{cos\&theta;}}_1& {\mathrm{sin\&theta;}}_1\\ 0.0& -{\mathrm{sin\&theta;}}_1& {\mathrm{cos\&theta;}}_1\end{array}\right],B_2=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\&theta;}}_2& 0.0& -{\mathrm{sin\&theta;}}_2\\ 0.0& 1.0& 0.0\\ {\mathrm{sin\&theta;}}_2& 0.0& {\mathrm{cos\&theta;}}_2\end{array}\right],$

$B_3=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\&theta;}}_3& {\mathrm{sin\&theta;}}_3& 0.0\\ -{\mathrm{sin\&theta;}}_3& {\mathrm{cos\&theta;}}_3& 0.0\\ 0.0& 0.0& 1.0\end{array}\right]---\left(17\right)$

刚体位移转换矩阵E：

$E_i=\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& z_i& -y_i\\ 0& 1& 0& -z_i& 0& x_i\\ 0& 0& 1& y_i& -x_i& 0\end{array}\right]---\left(18\right)$

系统刚度矩阵K：

$K=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}(E_i^T\&CenterDot;B_i^T\&CenterDot;D_i\&CenterDot;B_i\&CenterDot;E_i)---\left(19\right)$

其中，矩阵D表示悬置主轴刚度矩阵D＝diag(k_u、k_v、k_w)。

由悬置系统自由振动微分方程求解系统振型与频率ω：

步骤3：当系统作第i阶模态振动时，系统频率为ω_i，悬置系统在该阶振动的动能通过式(21)计算，其中，与分别表示第i阶振动下，第j列和第k列振型元素；m_kl表示质量矩阵M中第k行第l列元素。当系统作第i阶模态振动时，作用在第k个广义坐标的动能由式(22)计算；第k个广义坐标动能所占百分比由式(23)计算。

步骤4：模态频率目标函数由式(24)计算：

$F_e=\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left\{w_{ej}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_{ij}{(f_i-{\hat{f}}_j)}^2\right\}---\left(24\right)$

其中，F_e是表征六个方向模态频率f_i与目标模态频率的对比值。不同方向频率之间的差异通过解耦率η_ij作为权重；第二权重值w_ej表示不同方向频率考虑的重要性。F_e越小表示设计结果越接近目标频率，最好的设计结果就是F_e值为0。目标模态频率由式(11)计算，与分别表示第j阶模态频率期望下限和上限。

${\hat{f}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{\hat{f}}_{jmin},& f_i<{\hat{f}}_{jmin}\\ f_i,& {\hat{f}}_{jmin}\&le;f_i\&le;{\hat{f}}_{jmax}\\ {\hat{f}}_{jmax},& f_i>{\hat{f}}_{jmax}\end{array}\right.---\left(25\right)$

模态解耦率目标函数F_d是表征设计结果满足解耦率目标的程度，该目标函数由式(26)计算：

$F_d=\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{w_{dj}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}\&lsqb;d_{ij}(1.0-d_{ij})\&rsqb;\},d_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}0.0,& {\mathrm{\&eta;}}_{ij}<{\mathrm{\&eta;}}_{j\min }\\ {\mathrm{\&eta;}}_{ij},& {\mathrm{\&eta;}}_{j\min }\&le;{\mathrm{\&eta;}}_{ij}\&le;{\mathrm{\&eta;}}_{j\max }\\ 1.0,& {\mathrm{\&eta;}}_{ij}>{\mathrm{\&eta;}}_{j\max }\end{array}\right.---\left(26\right)$

式中，d_ij表示第j阶解耦率值百分比值，η_jmin与η_jmax表示第j阶解耦率期望下限和上限，权重w_dj表示工程师对第j个方向解耦率的重视程度。F_d值越小，表示解耦效果越好，当值为0时，表示完全达到工程师解耦要求。

悬置刚度目标函数F_m是保障悬置设计刚度需满足制造要求，该目标函数由式(27)计算：

$F_m=\underset{mounts}{\mathrm{\&Sigma;}}\left\{\underset{r=\frac{K1}{K2},\frac{K1}{K3},\frac{K2}{K3}}{\mathrm{\&Sigma;}}\left[\begin{array}{cc}{\left(\frac{1.2r_{\min }-r}{0.2r_{\min }}\right)}^2,& r<1.2r_{\min }\\ 0,& 1.2r_{\min }\&le;r\&le;0.8r_{\max }\\ {\left(\frac{r-0.8r_{\max }}{0.2r_{\max }}\right)}^2,& r>0.8r_{\max }\end{array}\right]\right\}---\left(27\right)$

其中，r表示悬置刚度比值

步骤5：兼顾动力总成优化设计过程中模态频率目标F_e、模态解耦率目标F_d和悬置刚度制造目标F_m，由式(28)计算优化目标函数F：

F＝(1+F_e)(1+F_d)(1+F_m)(28)

采用遗传算法对悬置系统的安装位置、刚度和安装角度进行优化，使得优化目标函数(28)最小。

步骤6：输出模型分析/优化结果到OUTPUT.dat文件中，如图5、图6、图7所示，具体数值如下：

●分析时间(第10-14行)

优化开始时间：17:19:19，结束时间：17:19:45，整个流程耗时：25.9秒。

●设计优化结果(第33-42行)

设计变量优化结果如表10所示。

表10悬置优化后的设计变量结果

悬置	X	Y	Z	K1	K2	K3	x	y	z
										1#	-150	-419.7	261.4	230.3	95.3	124.4	-11.3	49	39.5
2#	-240	514.2	308.2	160.1	221.3	268.8	50.7	28.3	-14.7
										3#	263.7	-40	-78.5	55.5	300	50	7.6	3.6	5.1

●动力总成模态频率和悬置解耦率性能(第56-57，60-67行)

优化后动力总成模态频率与解耦率性能如表11所示。

表11优化后动力总成模态频率与解耦率性能

方向	FOR/AFT	LATERAL	BOUNCE	ROLL	PITCH	YAW
							解耦率(％)	99.9	98.5	97	98	96.4	96.7
频率	mode5	mode4	mode6	mode3	mode2	mode1
							频率值	7.5	9.9	8	11.7	14.8	16.4

●模态频率目标函数值(第92行)

模态频率目标函数值为0.2。

●模态解耦率目标函数矩阵(第95行)

模态解耦率目标函数值为2.1。

●悬置刚度制造比率目标函数矩阵(第98行)

悬置刚度制造比率目标函数值为0.0。

●优化目标值函数值(第101行)

优化目标函数值为3.7。

根据分析输出结果可知，本发明整个优化过程消耗时间仅为26秒，模型单次分析时间为0.02秒；而如果采用NASTRAN进行优化，那么模型单次分析时间就达到10秒，如果采用GA算法优化，需要调用上千次分析，优化时间至少为10000秒。因此，本发明大大地缩短了动力总成悬置优化设计的时间成本。此外，由优化后的解耦率性能(表11)可知，优化后的动力总成在六个方向上的解耦率都达到了95％以上，说明了动力总成的隔振效果得到了明显提高；对比模态频率设计要求(表1)，优化后的动力总成六个方向的模态频率达到了设计要求。上述具体实例验证了本方法的可行性。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种动力总成悬置解耦快速设计优化方法，其特征在于，所述方法采用文件交互的方式进行数据的输入，以及设计优化结果的输出，步骤如下：

步骤1：文件INPUT.dat中输入动力总成优化设计信息，输入信息包括：

模态频率目标函数和解耦率目标函数；

发动机质心位置；

整车坐标系与动力总成坐标系之间的转换矩阵列；

动力总成质量信息和惯性矩列，其中动力总成质量定义为MASS，惯性矩列出顺序分别为：I11、I21、I22、I31、I32和I33；

分析模型中的悬置个数；

悬置在X、Y、Z三个方向下的安装坐标；

悬置刚度；

悬置绕发动机X、Y、Z三轴的转动角度；

悬置K1/K2、K1/K3、K2/K3比值，其中K1、K2、K3分别表示悬置弹性主轴刚度；

步骤2：利用式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)建立动力总成悬置系统动力学模型，并采用式(6)、(7)计算系统振型和频率；

惯性质量矩阵M：

$M=\left[\begin{array}{cccccc}m& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& m& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& m& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& I_{xx}& -I_{xy}& -I_{xz}\\ 0& 0& 0& -I_{xy}& I_{yy}& -I_{yz}\\ 0& 0& 0& -I_{xz}& -I_{yz}& I_{zz}\end{array}\right]---\left(1\right)$

悬置弹性主轴坐标系转换矩阵B：

B＝B₃B₂B₁(2)

其中，θ₁、θ₂和θ₃分别表示弹性主轴u、v、w与动力总成坐标系x、y、z三轴的夹角；

$B_1=\left[\begin{array}{ccc}1.0& 0.0& 0.0\\ 0.0& {\mathrm{cos\&theta;}}_1& {\mathrm{sin\&theta;}}_1\\ 0.0& -{\mathrm{sin\&theta;}}_1& {\mathrm{cos\&theta;}}_1\end{array}\right],$ $B_2=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\&theta;}}_2& 0.0& -{\mathrm{sin\&theta;}}_2\\ 0.0& 1.0& 0.0\\ {\mathrm{sin\&theta;}}_2& 0.0& {\mathrm{cos\&theta;}}_2\end{array}\right],$

$B_3=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\&theta;}}_3& {\mathrm{sin\&theta;}}_3& 0.0\\ -{\mathrm{sin\&theta;}}_3& {\mathrm{cos\&theta;}}_3& 0.0\\ 0.0& 0.0& 1.0\end{array}\right]---\left(3\right)$

刚体位移转换矩阵E：

$E_i=\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& z_i& -y_i\\ 0& 1& 0& -z_i& 0& x_i\\ 0& 0& 1& y_i& -x_i& 0\end{array}\right]---\left(4\right)$

系统刚度矩阵K：

$K=\underset{i=1}{\overset{6}{\&Sigma;}}(E_i^T\&CenterDot;B_i^T\&CenterDot;D_i\&CenterDot;B_i\&CenterDot;E_i)---\left(5\right)$

其中，矩阵D表示悬置主轴刚度矩阵D＝diag(k_u、k_v、k_w)；

由悬置系统自由振动微分方程求解系统振型与频率ω：

步骤3：当系统作第i阶模态振动时，系统频率为ω_i，悬置系统在该阶振动的动能通过式(7)计算，其中，与分别表示第i阶振动下，第j列和第k列振型元素；m_kl表示质量矩阵M中第k行第l列元素；当系统作第i阶模态振动时，作用在第k个广义坐标的动能由式(8)计算，第k个广义坐标动能所占百分比由式(9)计算；

步骤4：模态频率目标函数由式(10)计算：

$F_e=\underset{j=1}{\overset{6}{\&Sigma;}}\left\{w_{ej}\underset{i=1}{\overset{6}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&eta;}}_{ij}{(f_i-{\hat{f}}_j)}^2\right\}---\left(10\right)$

其中，F_e是表征六个方向模态频率f_i与目标模态频率的对比值，不同方向频率之间的差异通过解耦率η_ij作为权重；第二权重值w_ej表示不同方向频率考虑的重要性，F_e越小表示设计结果越接近目标频率，最好的设计结果就是F_e值为0；目标模态频率由式(11)计算，与分别表示第j阶模态频率期望下限和上限；

${\hat{f}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{\hat{f}}_{j\min },& f_i<{\hat{f}}_{jmin}\\ f_i,& {\hat{f}}_{jmin}\&le;f_i\&le;{\hat{f}}_{jmax}\\ {\hat{f}}_{jmax},& f_i>{\hat{f}}_{jmax}\end{array}\right.---\left(11\right)$

模态解耦率目标函数F_d是表征设计结果满足解耦率目标的程度，该目标函数由式(12)计算：

$F_d=\underset{j=1}{\overset{6}{\&Sigma;}}\{w_{dj}\underset{i=1}{\overset{6}{\&Sigma;}}\&lsqb;d_{ij}(1.0-d_{ij})\&rsqb;\},$ $d_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}0.0,& {\mathrm{\&eta;}}_{ij}<{\mathrm{\&eta;}}_{jmin}\\ {\mathrm{\&eta;}}_{ij},& {\mathrm{\&eta;}}_{jmin}\&le;{\mathrm{\&eta;}}_{ij}\&le;{\mathrm{\&eta;}}_{jmax}\\ 1.0,& {\mathrm{\&eta;}}_{ij}>{\mathrm{\&eta;}}_{jmax}\end{array}\right.---\left(12\right)$

式中，d_ij表示第j阶解耦率值百分比值，η_jmin与η_jmax表示第j阶解耦率期望下限和上限，权重w_dj表示工程师对第j个方向解耦率的重视程度，F_d值越小，表示解耦效果越好，当值为0时，表示完全达到工程师解耦要求；

悬置刚度目标函数F_m是保障悬置设计刚度需满足制造要求，该目标函数由式(13)计算：

$F_m=\underset{mounts}{\mathrm{\&Sigma;}}\left\{\underset{r=\frac{K1}{K2},\frac{K1}{K3},\frac{K2}{K3}}{\mathrm{\&Sigma;}}\left[\begin{array}{cc}{\left(\frac{1.2r_{\min }-r}{0\mathrm{.2}{r}_{\min }}\right)}^2,& r<1.2r_{\min }\\ 0,& 1\mathrm{.2}{r}_{\min }\&le;r\&le;0.8r_{\max }\\ {\left(\frac{r-0.8r_{\max }}{0\mathrm{.2}{r}_{\max }}\right)}^2,& r>0.8r_{\max }\end{array}\right]\right\}---\left(13\right)$

其中，r表示悬置刚度比值

步骤5：优化目标函数，为了兼顾考虑动力总成优化设计过程中模态频率目标F_e、模态解耦率目标F_d和悬置刚度制造目标F_m，定义优化目标函数F：

F＝(1+F_e)(1+F_d)(1+F_m)(14)

采用遗传算法对悬置系统的安装位置、刚度和安装角度进行优化，使得优化目标函数F最小，优化结果满足模态频率目标、模态解耦率目标和悬置刚度制造目标；

步骤6：输出模型分析/优化结果到OUTPUT.dat文件中，分析结果包括：分析时间，动力总成质量矩阵，动力总成刚度矩阵，设计优化结果，模态频率设计要求，动力总成模态频率性能，动力总成悬置解耦率，模态频率目标函数矩阵，模态解耦率目标函数矩阵，悬置刚度制造比率目标函数矩阵和优化目标函数值。

2.根据权利要求1所述的动力总成悬置解耦快速设计优化方法，其特征在于，所述步骤1输入的模态频率目标函数和解耦率目标函数，每一行包含六个参数，分别为模态频率目标权重、下限、上限，以及解耦率权重、下限、上限。共有六行，分别表示刚体模态六个方向，即整车Y向平移(FOR/AFT)、整车X向平移(LATERAL)、整车Z向垂直平移(BOUNCE)、整车绕Y轴转动(ROLL)、整车绕X轴转动(PITCH)和整车绕Z轴转动(YAW)。