CN106649993B - 一种液压悬置的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液压悬置的建模方法，属于汽车技术领域。所述建模方法包括：基于假设条件，建立液压悬置的物理模型，所述液压悬置包括橡胶主簧、上液室、下液室和惯性通道，所述假设条件包括忽略所述橡胶主簧的质量、假设所述上液室和所述下液室的体积弹性均呈线性变化、假设所述上液室和所述下液室的体积刚度为常数、假设所述惯性通道内部各处受到的液体压力相等；根据所述物理模型，建立有限元模型；以所述有限元模型为基础，通过直接搜索寻优的方法进行系统识别，获取模型参数，以得到仿真模型。本发明使得仿真模型的精准度能够更为容易的提高。

Description

一种液压悬置的建模方法
技术领域
本发明属于汽车技术领域，特别涉及一种液压悬置的建模方法。
背景技术
液压悬置是一种汽车上的隔振装置，安装在发动机和车架之间，从而使得液压悬置不但能够降低发动机传递至车架的振动，还可以降低发动机受到的来自外部的振动。
汽车在启动后，将产生的十分复杂的振动反应，液压悬置将受到各种不同的激励振源的影响，其中，既有来自发动机内部的点火激励、惯性力激励和转矩激励等，也有来发动机外部的悬挂激励和转向激励等，并且，由于液压悬置是典型的非线性系统，其动态特征随着激励振幅和激励频率的改变而改变，因此，如果想要开发一个能够良好的吸收各种振动的液压悬置，需要不断的尝试和调校。
为了便于对液压悬置进行开发，一般会建立液压悬置的仿真模型，然后将仿真模型带入复杂的整车模型中进行仿真计算，以得到符合设计要求的液压悬置，从而代替台架实验，缩短开发周期。现在的建模方法(建立仿真模型的方法)通常为先根据液压悬置的结构，建立液压悬置的物理模型，然后通过多次试验获取模型参数，以得到仿真模型，然而，由于液压悬置的结构较为复杂，所以仿真模型的建立过程十分繁琐，且在获取仿真模型后，为了提高仿真模型的精准度，需要考虑更多的非线性因素，但非线性因素很难直接给出理论推导的解析表达式，必须依靠大量的实验进行拟合，导致很难提高仿真模型的精准度。
发明内容
为了解决仿真模型的精准度不易提高的问题，本发明实施例提供了一种液压悬置的建模方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种液压悬置的建模方法，所述建模方法包括：
基于假设条件，建立液压悬置的物理模型，所述液压悬置包括橡胶主簧、上液室、下液室和惯性通道，所述假设条件包括忽略所述橡胶主簧的质量、假设所述上液室和所述下液室的体积弹性均呈线性变化、假设所述上液室和所述下液室的体积刚度为常数、假设所述惯性通道内部各处受到的液体压力相等；
根据所述物理模型，建立有限元模型；
以所述有限元模型为基础，通过直接搜索寻优的方法进行系统识别，获取模型参数，以得到仿真模型。
进一步地，建立所述液压悬置的物理模型，包括：
将所述液压悬置分为机械部分和液体部分，所述机械部分包括橡胶主簧，所述液体部分包括所述液压悬置内部的液体；
获取所述机械部分和所述液体部分的各项参数，以通过所述各项参数表述所述物理模型，所述机械部分的参数包括所述橡胶主簧的刚度系数和阻尼系数来表述，所述液体部分的参数包括所述液压悬置内部的液体的压力、体积和流量表述。
进一步地，根据所述物理模型，建立有限元模型，包括：
所述有限元模型包括弹簧单元、结构阻尼单元、流体黏性阻尼单元和质量单元。
进一步地，所述弹簧单元通过所述橡胶主簧的刚度和所述上液室的体积刚度确定；所述结构阻尼单元通过所述橡胶主簧的阻尼确定；所述流体黏性阻尼通过所述上液室内的液体的阻尼系数、所述惯性通道的阻尼系数、所述上液室和所述下液室的流体阻尼确定；所述质量单元通过所述惯性通道和所述液压悬置内的液体的质量确定。
进一步地，所述有限元模型通过有限元前处理软件建立，所述有限元前处理软件为NASTRAN或Hypermesh。
进一步地，通过直接搜索寻优的方法进行系统识别，包括：
通过全局搜索寻优的差分进化算法对所述有限元模型进行系统识别。
进一步地，通过全局搜索寻优的差分进化算法对所述有限元模型进行系统识别，包括：
约束所述有限元模型一端的全部自由度；
在所述有限元模型的另一端施加激励，以得到所述有限元模型输出的振动响应；
通过优化软件建立优化变量和优化目标，并进行迭代计算，以获取所述模型参数，所述优化目标为所述液压悬置的动态特性曲线。
进一步地，所述激励为基于正弦激励的强迫振动。
进一步地，所述优化软件为Optimus优化软件。
进一步地，所述进行迭代计算，包括：
通过反复调整优化变量，使得所述有限元模型受到的激励和输出的振动响应之间的关系不断逼近所述优化目标，以得到与所述优化目标拟合的模型参数。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过对待建模的液压悬置的部件进行简化和假设，以达到简化液压悬置的结构的目的，从而简化了建模的过程，进一步地通过简化和假设后的液压悬置建立物理模型，以通过物理模型建立液压悬置的有限元模型，更进一步地对有限元模型进行系统识别，由于系统识别是一种在系统输入一定的情况下，根据系统输出的实际数据来估算模型的参数(使得模型的输出响应和实际的输出响应趋近一致)的建模方法，从而避免了大量的实验，进而能够更为容易的提高仿真模型的精准度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的建模方法的流程图；
图2是本发明实施例二提供的建模方法的流程图；
图3是本发明实施例二提供的液压悬置模型示意图
图4是本发明实施例二提供的系统识别的模型示意图
图5是本发明实施例二提供的液压悬置模型动刚度对标结果曲线图；
图6是本发明实施例二提供的液压悬置模型阻尼对标结果曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种液压悬置的建模方法，该方法适用于液压悬置在受到低频激振时的仿真分析，如图1所示，该建模方法包括：
步骤101：基于假设条件，建立液压悬置的物理模型。
其中，液压悬置包括橡胶主簧、上液室、下液室和惯性通道。
具体地，液压悬置还包括解耦膜和底膜，橡胶主簧、解耦膜和惯性通道构成上液室，解耦膜、惯性通道和底膜构成下液室，上液室和下液室内均充满液体。
下面简单介绍一下液压悬置的工作原理：
解耦膜具有变刚度的特性，其刚度随变形和激振频率的改变而改变，当激振频率较低、振幅较大时，解耦膜形成微小变形，使得大量液体可以通过惯性通道在上液室和下液室内流动，所以惯性通道中的液体振动惯性力产生的阻尼可以起到减振作用，当激振频率较高、振幅较小时，解耦膜形成较大变形，以起到减振作用。
在本实施例中，假设条件包括忽略橡胶主簧的质量、假设上液室和下液室的体积弹性均呈线性变化、假设上液室和下液室的体积刚度(压力变化和体积变化的比值)为常数、假设惯性通道内部各处受到的液体压力相等。
步骤102：根据物理模型，建立有限元模型。
步骤103：以有限元模型为基础，通过直接搜索寻优的方法进行系统识别，获取模型参数，以得到仿真模型。
通过对待建模的液压悬置的部件进行简化和假设，以达到简化液压悬置的结构的目的，从而简化了建模的过程，进一步地通过简化和假设后的液压悬置建立物理模型，以通过物理模型建立液压悬置的有限元模型，更进一步地对有限元模型进行系统识别，由于系统识别是一种在系统输入一定的情况下，根据系统输出的实际数据来估算模型的参数(使得模型的输出响应和实际的输出响应趋近一致)的建模方法，从而避免了大量的实验，进而能够更为容易的提高仿真模型的精准度。
实施例二
本发明实施例提供了一种液压悬置的建模方法，该方法适用于液压悬置在受到低频激振时的仿真分析，如图2所示，该建模方法包括：
步骤201：基于假设条件，建立液压悬置的物理模型。
其中，液压悬置包括橡胶主簧、上液室、下液室和惯性通道。
具体地，液压悬置还包括解耦膜和底膜，橡胶主簧、解耦膜和惯性通道构成上液室，解耦膜、惯性通道和底膜构成下液室，上液室和下液室内均充满液体。
在上述实现方式中，假设条件包括忽略橡胶主簧的质量、假设上液室和下液室的体积弹性均呈线性变化、假设上液室和下液室的体积刚度为常数、假设惯性通道内部各处受到的液体压力相等。
需要说明的是，由于橡胶主簧是一种粘弹性(同时具有黏性和弹性)构件，所以其特性是非线性的，在橡胶主簧受到高频激振的情况下，需要考虑其受到的驻波效应(橡胶因高频率的发生拉伸和收缩而快速老化)影响，此时橡胶主簧的自身质量是不能忽略的，但本实施例所提供的建模方法适用于液压悬置在受到低频激振时的仿真分析，所以可以忽略橡胶主簧的质量；
由于上液室和下液室的体积刚度会随其体积的变化而发生变化，但变化非常的小，所以可以将此变化忽略，即将上液室和下液室的体积刚度夹设为常数；
假设惯性通道内部各处受到的液体压力相等，即是指的惯性通道中部内壁及进、出口处的截面积相同，惯性通道内部的液体以层流(流体流动时，如果流体质点的轨迹是有规则的光滑曲线，那么这种流动叫层流)的形式流动，且液体的阻力系数为常数。
具体地，步骤201可以通过如下方式实现：
首先，将液压悬置分为机械部分和液体部分，机械部分包括橡胶主簧，液体部分包括液压悬置内部的液体。
然后，获取机械部分和液体部分的各项参数，以通过各项参数表述物理模型。
其中，机械部分的参数包括橡胶主簧的刚度系数和阻尼系数来表述，液体部分的参数包括液压悬置内部的液体的压力、体积和流量表述。
步骤202：根据物理模型，建立有限元模型。
具体地，有限元模型为参数有限元模型，该有限元模型将可以突出液压悬置的动态特性的结构以参数值的形式表示出来，这些结构可以为橡胶主簧、上液室、下液室、惯性通道和解耦膜，参见图3，有限元模型包括弹簧单元、结构阻尼单元、流体黏性阻尼单元和质量单元，
弹簧单元包括第一弹簧单元11和第二弹簧单元12，第一弹簧单元11用于表示橡胶主簧的刚度Km，第二弹簧单元12用于表示解耦膜的刚度Kh，
结构阻尼单元包括第一结构阻尼单元21和第二结构阻尼单元22，第一结构阻尼单元21用于表示橡胶主簧的与体积刚度变化相关的阻尼Gm，第二结构阻尼单元22用于表示解耦膜的阻尼Gh，
流体黏性阻尼单元包括第一流体黏性阻尼单元31、第二流体黏性阻尼单元32和第三流体黏性阻尼单元33，第一流体黏性阻尼单元31用于表示橡胶主簧的阻尼Cm，第二流体黏性阻尼单元32用于表示液压悬置内的液体流经解耦膜时的流动阻尼Ch，第三流体黏性阻尼单元33用于表示液压悬置内的液体流经惯性通道时的流动阻尼Ch1，
质量单元包括第一质量单元41和第二质量单元42，第一质量单元41用于表示液压悬置承载的总质量M1，第二质量单元42用于表示惯性通道及其内部的液体的质量Mh。
在上述实现方式中，第一弹簧单元11、第一结构阻尼单元21和第一流体黏性阻尼单元31用于共同表示橡胶主簧的动态特性；第二弹簧单元12、第二结构阻尼单元22和第二流体黏性阻尼单元32用于共同表示解耦膜的动态特性；第三流体黏性阻尼单元33用于表示惯性通道的动态特性。
在本实施例中，弹簧单元通过橡胶主簧的刚度和上液室的体积刚度确定，上液室的体积刚度通过橡胶主簧体积刚度变化相关的阻尼变化来表示；结构阻尼单元通过橡胶主簧的阻尼确定；流体黏性阻尼通过上液室内的液体的阻尼系数、惯性通道的阻尼系数、上液室和下液室的流体阻尼确定；质量单元通过惯性通道和液压悬置内的液体的质量确定。
优选地，有限元模型通过有限元前处理软件建立，有限元前处理软件可以为NASTRAN或Hypermesh。
步骤203：以有限元模型为基础，通过直接搜索寻优的方法进行系统识别，获取模型参数，以得到仿真模型。
优选地，可以通过全局搜索寻优的差分进化算法对有限元模型进行系统识别。
具体地，步骤203可以通过如下方式实现：
首先，约束有限元模型一端的全部自由度。
然后，在有限元模型的另一端施加激励，以得到有限元模型输出的振动响应。在上述实现方式中，激励为基于正弦激励的强迫振动。
接着，对试验液压悬置(已有的实体液压悬置)施加激励，以得到试验液压悬置的动态特征。
最后，通过优化软件建立优化变量和优化目标，并进行迭代计算，以获取模型参数，优化变量为有限元模型的各项参数值，优化目标为试验液压悬置的动态特性。
优选地，优化软件为Optimus优化软件。
在上述实现方式中，迭代计算可以通过如下方式实现：
通过反复调整优化变量，使得有限元模型受到的激励和输出的振动响应之间的关系不断逼近优化目标，以得到与优化目标拟合的模型参数。
图4为系统识别的模型示意图，参见图4，在上述实现方式中，步骤203可以通过如下更具体地方式实现：
将有限元模型的各项参数值输入InputArray1区域，将试验液压悬置的动态特性输入test区域，InputArray区域的数据通过Action1区域调用的Nastran软件进行仿真计算，以得到仿真结果(有限元模型输出的振动响应)，其中包括频率(calchz)、动刚度曲线(calck)和阻尼曲线(calcdgree)，而试验液压悬置的测试结果同样可以包括频率(hz.txt)、动刚度曲线(k.txt)和阻尼曲线(dgree.txt)，kabserror区域为测试结果和仿真结果的动刚度曲线之间的所有差值(如图5所示)，kymax为测试结果和仿真结果的动刚度曲线之间的差值的最大值，kysum区域为测试结果和仿真结果的动刚度曲线之间的差值总和的上限值，degreeerror区域为测试结果和仿真结果的阻尼曲线之间的所有差值(如图6所示)，degreeymax区域为测试结果和仿真结果的阻尼曲线之间的差值的最大值，degreeysum区域为测试结果和仿真结果的阻尼曲线之间的差值总和的上限值，通过上述数值进行全局优化，获取满足优化目标的模型参数，以得到仿真模型。
通过对待建模的液压悬置的部件进行简化和假设，以达到简化液压悬置的结构的目的，从而简化了建模的过程，进一步地通过简化和假设后的液压悬置建立物理模型，以通过物理模型建立液压悬置的有限元模型，更进一步地对有限元模型进行系统识别，由于系统识别是一种在系统输入一定的情况下，根据系统输出的实际数据来估算模型的参数(使得模型的输出响应和实际的输出响应趋近一致)的建模方法，从而避免了大量的实验，进而能够更为容易的提高仿真模型的精准度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液压悬置的建模方法，其特征在于，所述建模方法包括：
基于假设条件，建立液压悬置的物理模型，所述液压悬置包括橡胶主簧、上液室、下液室和惯性通道，所述假设条件包括忽略所述橡胶主簧的质量、假设所述上液室和所述下液室的体积弹性均呈线性变化、假设所述上液室和所述下液室的体积刚度为常数、假设所述惯性通道内部各处受到的液体压力相等；
根据所述物理模型，建立有限元模型，所述有限元模型包括弹簧单元、结构阻尼单元、流体黏性阻尼单元和质量单元，其中所述弹簧单元包括用于表示橡胶主簧刚度的第一弹簧单元和用于表示解耦膜刚度的第二弹簧单元，所述结构阻尼单元包括用于表示橡胶主簧的与体积刚度变化相关的阻尼的第一结构阻尼单元和用于表示解耦膜的阻尼的第二结构阻尼单元，流体黏性阻尼单元包括用于表示橡胶主簧的阻尼的第一流体黏性阻尼单元、用于表示液压悬置内的液体流经解耦膜时的流动阻尼的第二流体黏性阻尼单元和用于表示液压悬置内的液体流经惯性通道时的流动阻尼的第三流体黏性阻尼单元，所述质量单元包括用于表示液压悬置承载的总质量的第一质量单元和用于表示惯性通道及其内部的液体的质量的第二质量单元；所述第一弹簧单元、所述第一结构阻尼单元和所述第一流体黏性阻尼单元用于共同表示所述橡胶主簧的动态特性；所述第二弹簧单元、所述第二结构阻尼单元和所述第二流体黏性阻尼单元用于共同表示所述解耦膜的动态特性；所述第三流体黏性阻尼单元用于表示所述惯性通道的动态特性；其中，所述弹簧单元通过所述橡胶主簧的刚度和所述上液室的体积刚度确定；所述结构阻尼单元通过所述橡胶主簧的阻尼确定；所述流体黏性阻尼通过所述上液室内的液体的阻尼系数、所述惯性通道的阻尼系数、所述上液室和所述下液室的流体阻尼确定；所述质量单元通过所述惯性通道和所述液压悬置内的液体的质量确定；
以所述有限元模型为基础，通过直接搜索寻优的方法进行系统识别，获取模型参数，以得到仿真模型。
2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，建立所述液压悬置的物理模型，包括：
将所述液压悬置分为机械部分和液体部分，所述机械部分包括橡胶主簧，所述液体部分包括所述液压悬置内部的液体；
获取所述机械部分和所述液体部分的各项参数，以通过所述各项参数表述所述物理模型，所述机械部分的参数包括所述橡胶主簧的刚度系数和阻尼系数来表述，所述液体部分的参数包括所述液压悬置内部的液体的压力、体积和流量表述。
3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述有限元模型通过有限元前处理软件建立，所述有限元前处理软件为NASTRAN或Hypermesh。
4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，通过直接搜索寻优的方法进行系统识别，包括：
通过全局搜索寻优的差分进化算法对所述有限元模型进行系统识别。
5.根据权利要求4所述的建模方法，其特征在于，通过全局搜索寻优的差分进化算法对所述有限元模型进行系统识别，包括：
约束所述有限元模型一端的全部自由度；
在所述有限元模型的另一端施加激励，以得到所述有限元模型输出的振动响应；
通过优化软件建立优化变量和优化目标，并进行迭代计算，以获取所述模型参数，所述优化目标为所述液压悬置的动态特性曲线。
6.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，所述激励为基于正弦激励的强迫振动。
7.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，所述优化软件为Optimus优化软件。
8.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，所述进行迭代计算，包括：
通过反复调整优化变量，使得所述有限元模型受到的激励和输出的振动响应之间的关系不断逼近所述优化目标，以得到与所述优化目标拟合的模型参数。
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