CN109711061A - 基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，包括：P图分析，确定悬置系统稳健性优化设计的相关参数；搭建整车NVH仿真分析模型，进行整车怠速NVH性能仿真分析；进行悬置安装位置和悬置衬套刚度参数化建模；进行悬置安装位置DOE采样计算；建立满足精度要求的径向基函数近似模型Ⅰ；进行悬置安装位置确定性优化和验证；在悬置安装位置已确定的基础上，进行悬置衬套刚度DOE采样计算；建立满足精度要求的径向基函数近似模型Ⅱ；进行悬置衬套刚度确定性优化和验证；对悬置衬套刚度确定性优化结果进行稳健性分析和稳健性优化。采用本发明能使动力总成悬置方案具有良好的稳健性，保证整车怠速振动性能具有较高的一致性。
Description
技术领域
本发明属于汽车NVH技术领域，具体涉及一种基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法。
背景技术
汽车怠速振动性能是评价驾乘舒适性的关键指标之一，已成为国内外各大整车厂在产品研发过程中重点攻关的关键性能。发动机是汽车怠速运转时最主要的激励源，振动激励力通过动力总成悬置系统传递到车身，从而引起车身的振动。其中，悬置系统设计的好坏关系到发动机激励力向车身的传递效果，直接影响整车怠速振动性能。目前，国内悬置供应商对悬置衬套刚度的设计要求一般控制在±15％，较大的刚度偏差会造成同一产品的怠速振动性能稳健性不足，甚至不能满足设计要求。因此，需要一套切实可行的基于整车怠速性能的动力总成悬置稳健性优化设计方法。
目前，在悬置系统设计阶段，主要通过悬置衬套刚度匹配和悬置被动侧动反力分析方法获得悬置刚度方案，该方法未能考虑发动机和其它分系统对车内怠速振动响应的影响，不能完全真实地模拟整车怠速性能。因此，有必要开发一种基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，以使动力总成悬置方案具有良好的稳健性，保证整车怠速振动性能具有较高的一致性。
本发明所述的基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，包括：
步骤1：P图分析，确定悬置系统稳健性优化设计的相关参数：输入信号为发动机激励，控制因子为悬置安装位置、悬置衬套刚度，噪声因子为悬置衬套刚度波动偏差，输出状态为座椅振动加速度(即座椅安装导轨测点振动加速度三向矢量和)；
步骤2：搭建整车NVH仿真分析模型，进行整车怠速NVH性能仿真分析；
步骤3：进行悬置安装位置参数化建模和悬置衬套刚度参数化建模；
步骤4：进行悬置安装位置DOE采样计算；
步骤5：提取悬置安装位置DOE样本点与计算结果，建立满足精度要求的径向基函数近似模型Ⅰ(即整车NVH近似模型Ⅰ)；
步骤6：基于径向基函数近似模型Ⅰ，进行悬置安装位置确定性优化；
步骤7：调用整车NVH仿真分析模型，对悬置安装位置确定性优化结果进行验证，若满足整车怠速振动性能要求，则执行步骤8，若不满足整车怠速振动性能要求，则返回步骤6重新进行悬置安装位置确定性优化；
步骤8：在悬置安装位置已确定的基础上，进行悬置衬套刚度DOE采样计算；
步骤9：提取悬置衬套刚度DOE样本点与计算结果，建立满足精度要求的径向基函数近似模型Ⅱ(即整车NVH近似模型Ⅱ)；
步骤10：基于径向基函数近似模型Ⅱ，进行悬置衬套刚度确定性优化；
步骤11：调用整车NVH仿真分析模型，对悬置衬套刚度确定性优化结果进行验证，若满足整车怠速振动性能要求，则执行步骤12，若不满足整车怠速振动性能要求，则返回步骤10重新进行悬置衬套刚度确定性优化；
步骤12：对悬置衬套刚度确定性优化结果进行稳健性分析；
步骤13：对悬置衬套刚度确定性优化结果进行稳健性优化。
某些步骤具体实现如下：
所述步骤2具体为：采用前处理软件搭建整车NVH仿真分析模型，基于发动机缸压测试数据完成发动机激励加载，设置车内振动响应输出，然后采用有限元分析软件进行整车怠速NVH仿真求解，得到座椅振动加速度的初始设计值(即初始设计状态下的座椅振动加速度)，实现整车怠速NVH性能仿真。
所述步骤4具体为：基于悬置安装位置参数化模型，设置输入变量为悬置安装位置，输出变量为座椅振动加速度，采用最优拉丁超方试验设计方法进行悬置安装位置DOE采样计算。
基于悬置安装位置DOE样本点与计算结果，可以进行设计参数对设计目标的相关性分析，识别影响整车怠速振动性能最主要的设计参数。
所述步骤5具体为：提取悬置安装位置DOE样本点与计算结果，建立径向基函数近似模型Ⅰ，并验证径向基函数近似模型Ⅰ是否满足精度要求，如果满足精度要求(比如径向基函数近似模型Ⅰ的精度大于或等于95％)，则执行步骤6，如果不满足精度要求(比如径向基函数近似模型Ⅰ的精度小于95％)，则增加悬置安装位置DOE样本点，并返回步骤4进行悬置安装位置DOE采样计算，直到径向基函数近似模型Ⅰ满足精度要求。
所述步骤6具体为：基于径向基函数近似模型Ⅰ，以座椅振动加速度最小为优化目标，采用全局搜索算法完成悬置安装位置确定性优化，获得一组最佳的悬置安装位置参数。
所述步骤7具体为：调用整车NVH仿真分析模型，计算得到悬置安装位置确定性优化后的座椅振动加速度，若该座椅振动加速度小于座椅振动加速度的初始设计值(即满足整车怠速振动性能要求)，则执行步骤8，若该座椅振动加速度大于或等于座椅振动加速度的初始设计值(即不满足整车怠速振动性能要求)，则返回步骤6重新进行悬置安装位置确定性优化。
所述步骤8具体为：在悬置安装位置已确定的基础上，基于悬置衬套刚度参数化模型，设置输入变量为悬置衬套刚度，输出变量为座椅振动加速度，采用最优拉丁超方试验设计方法进行悬置衬套刚度DOE采样计算。
所述步骤9具体为：提取悬置衬套刚度DOE样本点与计算结果，建立径向基函数近似模型Ⅱ，并验证径向基函数近似模型Ⅱ是否满足精度要求，如果满足精度要求(比如径向基函数近似模型Ⅱ的精度大于或等于95％)，则执行步骤10，如果不满足精度要求(比如径向基函数近似模型Ⅱ的精度小于95％)，则增加悬置衬套刚度DOE样本点，并返回步骤8进行悬置衬套刚度DOE采样计算，直到径向基函数近似模型Ⅱ满足精度要求。
所述步骤10具体为：基于径向基函数近似模型Ⅱ，以座椅振动加速度最小为优化目标，采用全局搜索算法完成悬置衬套刚度确定性优化，获得一组最佳的悬置衬套刚度参数。
所述步骤11具体为：调用整车NVH仿真分析模型，计算得到悬置衬套刚度确定性优化后的座椅振动加速度，若该座椅振动加速度小于座椅振动加速度的初始设计值(即满足整车怠速振动性能要求)，则执行步骤12，若该座椅振动加速度大于或等于座椅振动加速度的初始设计值(即不满足整车怠速振动性能要求)，则返回步骤10重新进行悬置衬套刚度确定性优化。
本发明具有如下效果：
(1)基于发动机实测激励和整车NVH仿真分析模型，加载发动机激励，进行整车怠速工况下的NVH性能仿真分析，可以最大程度地考虑汽车各分系统之间的耦合作用，实现对车内振动响应的精准模拟，通过悬置安装位置和悬置衬套刚度确定性优化，可显著降低车内座椅振动加速度响应幅值，提升怠速振动性能，保证悬置方案能够有效解决怠速振动问题。
(2)构造径向基函数近似模型Ⅰ、径向基函数近似模型Ⅱ，代替整车NVH仿真分析模型(为高精度分析模型)，进行悬置安装位置和悬置衬套刚度确定性优化，解决了优化迭代耗时大的问题。
(3)进行悬置衬套刚度稳健性优化，进而实现在降低座椅振动加速度的同时，又提高了振动性能稳健性。
(4)成本低、效率高，能够在汽车产品开发前期实现悬置系统稳健性设计，提高整车性能开发品质，降低在研发后期进行设计变更的风险，有利于缩短研发周期，节省研发成本。
附图说明
图1为基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法流程图。
图2为发动机激励加载示意图。
图3为悬置安装位置对整车怠速振动性能贡献量的示意图。
图4为径向基函数近似模型Ⅰ预测值与真实值的对比图。
图5为悬置衬套刚度对整车怠速振动性能贡献量的示意图。
图6为径向基函数近似模型Ⅱ预测值与真实值的对比图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的方法，下面通过长安某车型悬置优化设计实例，结合表格、附图对本发明做进一步说明。
如图1所示的基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，包括：
步骤1：P图分析，确定悬置系统稳健性优化设计的相关参数
造成汽车怠速振动性能偏差的因素众多，如：时间影响(衬套衰减老化)、外部环境温度、整车各系统之间的交互影响(悬架系统变化、胎压变化、发动机燃烧偏差)、悬置系统误差(悬置尺寸误差、螺栓预紧力等)以及用户使用情况。本实施例主要从悬置系统设计出发，在设计阶段尽量考虑生产工艺水平(悬置衬套刚度偏差±15％)，控制整车怠速振动性能偏差。根据由发动机激励引起的汽车怠速振动问题，进行P图分析，确定悬置系统稳健性优化设计的相关参数如下：输入信号为发动机激励，控制因子为悬置安装位置、悬置衬套刚度，噪声因子为悬置衬套刚度波动偏差，输出状态为座椅振动加速度(即座椅安装导轨测点振动加速度三向矢量和)。
步骤2：搭建整车NVH仿真分析模型，进行整车怠速NVH性能仿真分析
利用发动机测试缸压，使用发动机MBD模型计算燃烧力、惯性力和不平衡力，完成时域载荷向频域载荷的转换。基于前处理软件Hypermesh的NVH-D环境搭建整车NVH仿真分析模型，在发动机曲轴中心位置输入六个方向的载荷力和载荷扭矩，在发动机缸体输入与曲轴方向相反、大小相等的扭矩，如图2所示。采用有限元分析软件Nastran进行整车怠速NVH仿真求解，得到座椅振动加速度(即RSS)的初始设计值(即初始设计状态下的座椅振动加速度)为10.2mg。
步骤3：进行悬置安装位置参数化建模和悬置衬套刚度参数化建模
通过前处理软件ANSA的Morpher模块对悬置安装位置进行参数化建模，悬置安装位置位移参数包括：左悬置x/z向位移、后悬置y/z向位移、右悬置x/z向位移，通过位移参数对悬置位置进行控制，采用批处理方式后台调用ANSA，实现悬置安装位置按照给定的位移参数自动更新，进而驱动整车NVH仿真分析模型进行更新。
采用iSight软件中Data Exchanger工具对悬置衬套刚度进行参数化建模，悬置衬套刚度参数包括：前悬置x/y/z向刚度、左悬置x/y/z向刚度、后悬置x/y/z向刚度、右悬置x/y/z向刚度，共计12个设计参数。
步骤4：进行悬置安装位置DOE采样计算
在iSight集成优化平台下，搭建悬置安装位置DOE分析子流程；其中，“DOE”模块采用最优拉丁超方试验设计方法，生成悬置安装位置样本数据，共计80组；“Position_Mor”模块集成了悬置安装位置参数化模型，根据悬置安装位置样本数据实现悬置安装位置更新；“Analysis”模块集成了整车怠速振动性能仿真的分析文件，用于计算座椅振动加速度。
对悬置安装位置DOE样本点与计算结果(即DOE采样获得的样本数据)进行贡献量分析，如图3所示，表示右悬置安装位置对整车怠速振动性能影响最大，且x位移与座椅加速度响应成负相关，z向位移与座椅加速度响应成正相关。
步骤5：提取悬置安装位置DOE样本点与计算结果，建立满足精度要求的径向基函数近似模型Ⅰ(即整车NVH近似模型Ⅰ)
提取悬置安装位置DOE样本点与计算结果，建立径向基函数近似模型Ⅰ，并验证径向基函数近似模型Ⅰ是否满足精度要求，如果满足精度要求(比如径向基函数近似模型Ⅰ的精度大于或等于95％)，则执行步骤6，如果不满足精度要求(比如径向基函数近似模型Ⅰ的精度小于95％)，则增加悬置安装位置DOE样本点，并返回步骤4进行悬置安装位置DOE采样计算，直到径向基函数近似模型Ⅰ满足精度要求。本实施例中径向基函数近似模型Ⅰ预测值与真实值对比如图4所示。采用LOO精度校验方法对径向基函数近似模型Ⅰ精度进行验证，结果表明径向基函数近似模型Ⅰ平均误差为0.9％，满足精度要求。
步骤6：基于径向基函数近似模型Ⅰ，进行悬置安装位置确定性优化
基于径向基函数近似模型Ⅰ，以座椅振动加速度最小为优化目标，采用全局搜索算法(即MIGA)进行悬置安装位置确定性优化，获得一组最佳的悬置安装位置参数。
步骤7：调用整车NVH仿真分析模型，对悬置安装位置确定性优化结果进行验证
调用整车NVH仿真分析模型，计算得到悬置安装位置确定性优化后的座椅振动加速度，若该座椅振动加速度小于座椅振动加速度的初始设计值(即满足整车怠速振动性能要求)，则执行步骤8，若该座椅振动加速度大于或等于座椅振动加速度的初始设计值(即不满足整车怠速振动性能要求)，则返回步骤6重新进行悬置安装位置确定性优化。本实施中经过悬置安装位置确定性优化后的座椅振动加速度为9.2mg，与初始设计状态下的座椅振动加速度10.2mg相比，降低了9.8％，具体参见表1。
表1悬置安装位置优化对比
步骤8：在悬置安装位置已确定的基础上，进行悬置衬套刚度DOE采样计算
在悬置安装位置已确定的基础上，基于悬置衬套刚度参数化模型，设置输入变量为悬置衬套刚度，输出变量为座椅振动加速度，在iSight集成优化平台下，搭建悬置衬套刚度DOE分析子流程。选择最优拉丁超方试验设计方法对悬置衬套刚度进行150组样本采样，采样空间为初始值的[-20％，40％]，DOE分析子流程的“Simcode”模块中集成了悬置衬套刚度参数化文件和整车怠速NVH仿真分析文件，用于完成样本计算。
基于悬置衬套刚度DOE采样结果，对座椅振动加速度进行1次拟合，绘制得到Pareto图，由图5可知：前悬置x向、z向和右悬置x向动刚度对怠速振动性能影响较大，且呈正相关关系；左悬置z向动刚度与响应之间关系为负相关，增大刚度值有利于提升整车怠速振动性能；后悬置y向、前悬置y向、左悬置y向及x向动刚度对座椅振动影响较小，动刚度取值可参考初始设计值。
步骤9：提取悬置衬套刚度DOE样本点与计算结果，建立满足精度要求的径向基函数近似模型Ⅱ(即整车NVH近似模型Ⅱ)
提取悬置衬套刚度DOE样本点与计算结果，建立径向基函数近似模型Ⅱ，并验证径向基函数近似模型Ⅱ是否满足精度要求，如果满足精度要求(比如径向基函数近似模型Ⅱ的精度大于或等于95％)，则执行步骤10，如果不满足精度要求(比如径向基函数近似模型Ⅱ的精度小于95％)，则增加悬置衬套刚度DOE样本点，并返回步骤8进行悬置衬套刚度DOE采样计算，直到径向基函数近似模型Ⅱ满足精度要求。本实施例中径向基函数近似模型Ⅱ预测值与真实值对比如图6所示。采用LOO精度校验方法对径向基函数近似模型Ⅱ精度进行验证，结果表明径向基函数近似模型Ⅰ平均误差为0.4％，满足精度要求。
步骤10：基于径向基函数近似模型Ⅱ，进行悬置衬套刚度确定性优化
基于径向基函数近似模型Ⅱ，以座椅振动加速度最小为优化目标，采用全局搜索算法(即MIGA)完成悬置衬套刚度确定性优化，获得一组最佳的悬置衬套刚度参数。
步骤11：调用整车NVH仿真分析模型，对悬置衬套刚度确定性优化结果进行验证
调用整车NVH仿真分析模型，计算得到悬置衬套刚度确定性优化后的座椅振动加速度，若该座椅振动加速度小于座椅振动加速度的初始设计值(即满足整车怠速振动性能要求)，则执行步骤12，若该座椅振动加速度大于或等于座椅振动加速度的初始设计值(即不满足整车怠速振动性能要求)，则返回步骤10重新进行悬置衬套刚度确定性优化。本实施中经过悬置衬套刚度确定性优化后的座椅振动加速度为7.0mg，与初始设计状态下的座椅振动加速度10.2mg相比，降低了29％，具体参见表2。结合图5可以看出对座椅振动加速度响应影响较大的悬置衬套刚度值达到设计边界。
表2悬置衬套刚度确定性优化对比
由于悬置安装位置设计偏差较小，稳健性强，无需进行稳健性分析。
步骤12：对悬置衬套刚度确定性优化结果进行稳健性分析
采用蒙特卡罗方法对悬置衬套刚度确定性优化结果进行稳健性分析，其中蒙特卡罗分析采用描述性取样方法，模拟抽样点数为300，悬置衬套刚度波动偏差为±15％，对应的变异系数为0.05，完成悬置衬套刚度稳健性分析的分析结果如表3所示。
表3稳健性分析结果
步骤13：对悬置衬套刚度确定性优化结果进行稳健性优化
由表3可知，悬置衬套刚度确定性优化结果满足6σ质量要求，稳健性优化的重点是优化座椅振动加速度的标准差，从而减小响应分布范围，使怠速激励下座椅振动性能表现更集中。在iSight平台下，搭建悬置衬套刚度稳健性优化子流程。设置随机变量为悬置衬套刚度，均值采用悬置衬套刚度确定性优化结果，变异系数取0.05，优化目标为座椅振动加速度标准差，采用自适应模拟退火法进行迭代寻优，表4给出了优化结果。
表4稳健性优化结果
从表4可以看出，通过悬置衬套刚度稳健性优化设计，座椅振动加速度的标准差从2.4降低至1.93，响应分布更加集成，整车怠速振动性能一致性加强。
Claims (10)
1.一种基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，其特征在于，包括：
步骤1：P图分析，确定悬置系统稳健性优化设计的相关参数：输入信号为发动机激励，控制因子为悬置安装位置、悬置衬套刚度，噪声因子为悬置衬套刚度波动偏差，输出状态为座椅振动加速度；
步骤2：搭建整车NVH仿真分析模型，进行整车怠速NVH性能仿真分析；
步骤3：进行悬置安装位置参数化建模和悬置衬套刚度参数化建模；
步骤4：进行悬置安装位置DOE采样计算；
步骤5：提取悬置安装位置DOE样本点与计算结果，建立满足精度要求的径向基函数近似模型Ⅰ；
步骤6：基于径向基函数近似模型Ⅰ，进行悬置安装位置确定性优化；
步骤7：调用整车NVH仿真分析模型，对悬置安装位置确定性优化结果进行验证，若满足整车怠速振动性能要求，则执行步骤8，若不满足整车怠速振动性能要求，则返回步骤6重新进行悬置安装位置确定性优化；
步骤8：在悬置安装位置已确定的基础上，进行悬置衬套刚度DOE采样计算；
步骤9：提取悬置衬套刚度DOE样本点与计算结果，建立满足精度要求的径向基函数近似模型Ⅱ；
步骤10：基于径向基函数近似模型Ⅱ，进行悬置衬套刚度确定性优化；
步骤11：调用整车NVH仿真分析模型，对悬置衬套刚度确定性优化结果进行验证，若满足整车怠速振动性能要求，则执行步骤12，若不满足整车怠速振动性能要求，则返回步骤10重新进行悬置衬套刚度确定性优化；
步骤12：对悬置衬套刚度确定性优化结果进行稳健性分析；
步骤13：对悬置衬套刚度确定性优化结果进行稳健性优化。
2.根据权利要求1所述的基于整车怠速振动性能的动力总成稳健性优化方法，其特征在于，所述步骤2具体为：采用前处理软件搭建整车NVH仿真分析模型，基于发动机缸压测试数据完成发动机激励加载，设置车内振动响应输出，然后采用有限元分析软件进行整车怠速NVH仿真求解，得到座椅振动加速度的初始设计值。
3.根据权利要求1所述的基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，其特征在于，所述步骤4具体为：基于悬置安装位置参数化模型，设置输入变量为悬置安装位置，输出变量为座椅振动加速度，采用最优拉丁超方试验设计方法进行悬置安装位置DOE采样计算。
4.根据权利要求1所述的基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，其特征在于，所述步骤5具体为：提取悬置安装位置DOE样本点与计算结果，建立径向基函数近似模型Ⅰ，并验证径向基函数近似模型Ⅰ是否满足精度要求，如果不满足精度要求，则增加悬置安装位置DOE样本点，并返回步骤4进行悬置安装位置DOE采样计算，直到满足精度要求。
5.根据权利要求1所述的基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，其特征在于，所述步骤6具体为：基于径向基函数近似模型Ⅰ，以座椅振动加速度最小为优化目标，采用全局搜索算法完成悬置安装位置确定性优化，获得一组最佳的悬置安装位置参数。
6.根据权利要求1所述的基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，其特征在于，所述步骤7具体为：调用整车NVH仿真分析模型，计算得到悬置安装位置确定性优化后的座椅振动加速度，若该座椅振动加速度小于座椅振动加速度的初始设计值，则执行步骤8，若该座椅振动加速度大于或等于座椅振动加速度的初始设计值，则返回步骤6重新进行悬置安装位置确定性优化。
7.根据权利要求1所述的基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，其特征在于，所述步骤8具体为：在悬置安装位置已确定的基础上，基于悬置衬套刚度参数化模型，设置输入变量为悬置衬套刚度，输出变量为座椅振动加速度，采用最优拉丁超方试验设计方法进行悬置衬套刚度DOE采样计算。
8.根据权利要求1所述的基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，其特征在于，所述步骤9具体为：提取悬置衬套刚度DOE样本点与计算结果，建立径向基函数近似模型Ⅱ，并验证径向基函数近似模型Ⅱ是否满足精度要求，如果不满足精度要求，则增加悬置衬套刚度DOE样本点，并返回步骤8进行悬置衬套刚度DOE采样计算，直到满足精度要求。
9.根据权利要求1所述的基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，其特征在于，所述步骤10具体为：基于径向基函数近似模型Ⅱ，以座椅振动加速度最小为优化目标，采用全局搜索算法完成悬置衬套刚度确定性优化，获得一组最佳的悬置衬套刚度参数。
10.根据权利要求1所述的基于整车怠速振动性能的动力总成悬置稳健性优化方法，其特征在于，所述步骤11具体为：调用整车NVH仿真分析模型，计算得到悬置衬套刚度确定性优化后的座椅振动加速度，若该座椅振动加速度小于座椅振动加速度的初始设计值，则执行步骤12，若该座椅振动加速度大于或等于座椅振动加速度的初始设计值，则返回步骤10重新进行悬置衬套刚度确定性优化。
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