CN111291446A - 基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，包括以下步骤：步骤1，确定悬置系统多学科优化设计的相关参数；步骤2，建立前悬颤振仿真分析模型并进行前悬颤振仿真分析，建立怠速振动仿真模型并进行怠速振动仿真分析；步骤3，确定悬置系统需要优化设计的多个控制因子，对各个控制因子进行参数化建模；步骤4，进行各个控制因子的DOE采样计算；步骤5，提取DOE样本点和计算结果，分别基于前悬颤振性能和怠速振动性能构造响应面近似模型；步骤6，基于步骤5中的近似模型，对各个控制因子进行优化设计并获得优化方案。本发明可更高效的设计出能够同时满足前悬颤振性能和怠速振动性能要求的悬置系统。
Description
技术领域
本发明涉及多学科优化设计，具体涉及一种基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法。
背景技术
前悬颤振为车速20-30km/h过减速带时，车内存在明显的振动。主要表现为：（1）前轮接触减速带时，冲击感明显；（2）前轮通过减速带后，振动收敛慢，存在明显多余振动。前悬颤振不仅受自身悬架参数影响，还受悬置参数制约。前悬颤振性能直接影响乘客乘坐舒适性，是汽车开发过程中着重控制的一项性能。
动力总成和车身通过悬置连接，隔振是悬置的主要功能之一，发动机激励作用下的整车NVH性能同时也受悬置参数制约。发动机的振动通过悬置后，传递到车体上的振动被大大降低，如果发动机振动没有有效地隔离开来，就会传递到车身的各个部位，最后到达驾驶员和乘客，从而影响整车NVH性能（人的听觉感受和舒适性），其中重点关注怠速振动性能。
前悬颤振和怠速振动对悬置参数的要求往往是相互矛盾的。一方面，为了支撑动力装置重量、抵抗发动机产生的扭矩、抵抗前悬颤振所产生的冲击，要求悬置的刚度大，特别是垂向刚度；另一方面，为了达到有效的隔振目的，保持怠速振动性能，悬置特定方向刚度越小越好。
目前，在产品开发过程中，主流汽车厂商主要采用“串行设计”模式，即对前悬颤振和怠速振动单独控制，这样需要反复地人工调试，其设计要经过多次循环，甚至仍然无法得到理想的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，以更高效的设计出能够同时满足前悬颤振性能和怠速振动性能要求的悬置系统。
本发明所述的一种基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1，问题识别和P图分析，确定悬置系统多学科优化设计的相关参数；
步骤2，建立前悬颤振仿真分析模型并进行前悬颤振仿真分析，建立怠速振动仿真模型并进行怠速振动仿真分析；
步骤3，根据步骤1中的相关参数，确定悬置系统需要优化设计的多个控制因子，对各个控制因子进行参数化建模；
步骤4，进行各个控制因子的DOE采样计算；
步骤5，提取DOE样本点和计算结果，基于前悬颤振冲击性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅰ，基于前悬颤振余振性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅱ，基于怠速振动性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅲ；
步骤6，基于步骤5中的三个近似模型，以“怠速振动值≤设计目标值，颤振冲击值≤设计目标值”为约束条件，以“最小化颤振余振”为优化目标，对各个控制因子进行优化设计并获得优化方案，将优化方案代入步骤2中的前悬颤振仿真分析模型和怠速振动仿真模型进行验证。
进一步，所述步骤1中的相关参数如下：
输入信号包括过减速带产生的激振力（前悬颤振工况）、发动机缸压产生的力和力矩（怠速振动工况）；
控制因子包括悬置参数和悬架参数，悬置参数包括各悬置刚度和各悬置阻尼；悬架参数包括前减震器弹簧刚度、前悬架缓冲块间隙、前悬架减震器压缩阻尼以及前悬架缓冲块回弹阻尼；其中，悬置参数同时作为前悬颤振工况和怠速振动工况的控制因子，悬架参数仅作为前悬颤振工况的控制因子；
噪声因子包括动力总成左悬置、右悬置和后悬置刚度偏差；
输出状态包括颤振冲击、颤振余振、怠速振动。
进一步，所述步骤2具体为：在虚拟平滑路面建立减速带模型，作为仿真分析的输入，在软件Adams环境下搭建整车运动学模型，实现前悬颤振仿真分析；以发动机缸压产生的力和力矩作为输入，整车怠速NVH有限元模型作为对象，座椅导轨右后安装点振动作为评估指标，进行怠速振动仿真分析。
进一步，所述步骤3具体为：确定悬置系统需要优化设计的多个控制因子，对各个控制因子进行参数化建模，在Optimus平台下集成参数化建模、前悬颤振与怠速振动仿真分析流程。
进一步，所述步骤4具体为：确定各个控制因子的设计空间，采用最优拉丁超方试验设计方法分别开展各个控制因子的DOE采样计算。
进一步，提取DOE样本点和计算结果，基于前悬颤振冲击性能构造响应面近似模型Ⅰ，基于前悬颤振余振性能构造响应面近似模型Ⅱ，基于怠速振动性能构造响应面近似模型Ⅲ；当近似模型的精度低于90%时，增加DOE采样的样本点并更新近似模型，直到近似模型精度大于90%。
进一步，所述步骤6还包括：基于步骤5中的三个近似模型，进行贡献量分析，查找对关注性能贡献较大的控制因子，并分析控制因子和关注性能之间的相关性和冲突性，筛选出显著性控制因子。
本发明公开的基于前悬颤振和怠速振动的悬置（含悬架）系统多学科优化设计方法，通过前悬颤振和怠速振动工况的精准仿真，执行DOE分析；再分别对前悬颤振和怠速振动性能的评估指标构造近似模型，代替高精度分析模型，解决了优化迭代耗时大的问题；最后基于近似模型，开展基于前悬颤振和怠速振动的多学科多目标优化，进而实现前悬颤振和怠速振动性能的平衡。本发明能够在汽车产品研发过程中改善悬置系统参数设计手段，提高优化设计效果，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，能够节省研发成本。相较于传统的“串行设计”开发方法，本发明能够充分考虑多学科之间的耦合作用，通过对多个控制因子进行确定性优化，可同时满足多项性能，一次性设计对，大幅缩短设计周期。该方法成本低、效率高、能够在汽车产品开发前期实现悬置系统正向设计。
附图说明
图1为基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法的流程图；
图2为集成开发工作流；
图3为近似模型残差图；
图4为贡献量分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明中悬置系统包含悬架。
如图1所示的一种基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1，问题识别和P图分析，确定悬置系统多学科优化设计的相关参数；
影响前悬颤振和怠速振动的因素众多，如：时间影响、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）、系统误差（例如硬点尺寸误差）以及用户使用情况。通过P图分析，确定多学科优化设计的相关参数如下：
输入信号包括过减速带产生的激振力（前悬颤振工况）、发动机缸压产生的力和力矩（怠速振动工况）；
控制因子包括悬置参数和悬架参数，悬置参数包括左悬置X/Y/Z三个方向刚度、右悬置X/Y/Z三个方向刚度、后悬置X/Y/Z三个方向刚度、左悬置Z向阻尼、右悬置Z向阻尼、后悬置X向阻尼，共12个因子；悬架参数包括前减震器弹簧刚度、前悬架缓冲块间隙、前悬架减震器压缩阻尼、前悬架缓冲块回弹阻尼，共4个因子。其中，悬置参数同时作为前悬颤振工况和怠速振动工况的控制因子，悬架参数仅作为前悬颤振工况的控制因子；
噪声因子包括动力总成左悬置、右悬置和后置悬刚度偏差；
输出状态包括颤振冲击、颤振余振、怠速振动。
步骤2，建立前悬颤振仿真分析模型并进行前悬颤振仿真分析，建立怠速振动仿真模型并进行怠速振动仿真分析，分别完成初始设计状态下前悬颤振和怠速振动工况仿真分析；
具体的，前悬颤振仿真分析过程为：在虚拟平滑路面建立减速带模型，作为仿真分析的输入，在软件Adams环境下搭建整车运动学模型，将准确的动力总成参数（包括动力总成质心、质量、惯量）、悬置参数、悬架参数赋值给整车运动学模型，实现颤振仿真分析，输出状态包括颤振冲击、颤振余振。
怠速振动仿真分析过程为：利用发动机惯性力计算模型、惯性力矩计算模型和气体力矩计算模型，根据发动机参数和缸压数据参数计算发动机惯性力、惯性力矩和气体力矩，作为怠速振动仿真的输入参数；整车NVH有限元模型由动力总成柔性体模型、扭转系统1D模型、底盘模型及TB内饰车身模型构成，作为怠速振动仿真的对象；驾驶员座椅导轨右后安装点的振动作为评估对象，进行怠速振动仿真分析，输出状态包括怠速振动，其中0-200Hz范围内振动最大值作作为评估指标。
步骤3，根据步骤1中的相关参数，确定悬置系统需要优化设计的多个控制因子，对各个控制因子进行参数化建模，在Optimus集成平台下进行参数化建模、前悬颤振与怠速振动仿真分析流程；具体为，采用optimus软件支持的excel函数式对左悬置X/Y/Z三个方向刚度、右悬置X/Y/Z三个方向刚度、后悬置X/Y/Z三个方向刚度、前减震器弹簧刚度、前悬架减震器压缩阻尼、前悬架缓冲块回弹阻尼等曲线值进行参数化处理，而左悬置Z向阻尼、右悬置Z向阻尼、后悬置X向阻尼、前悬架缓冲块间隙等标量值可直接参数化；采用批处理方式后台调用两个工况计算分析所包含的模型文件，实现所有控制因子的自动更新，进而分别驱动模型文件的自动更新。如图2所示，在Optimus集成优化平台下，搭建前悬颤振和怠速振动的集成开发工作流。
步骤4，制定实验计划，执行实验设计（design of experiments, DOE）。实验设计方法是通过科学地选择样本点，利用更少的样本数量，最大化地获取控制因子与输出状态关系的设计方法。进行各个控制因子的DOE采样计算；具体为，确定各个控制因子的设计空间，采用最优拉丁超方试验设计方法分别开展各个控制因子的DOE采样计算，针对每个控制因子，进行200组样本采样；
基于DOE采样计算结果，可以对控制因子（设计变量）和关注性能（输出状态）进行相关性分析，得到与关注性能的相关性较为显著的控制因子，后期优化时可重点考虑显著性控制因子对关注性能的影响。
步骤5，提取DOE样本点和计算结果，基于前悬颤振冲击性能构造满足精度要求的、关于显著控制因子响应面近似模型Ⅰ，基于前悬颤振余振性能构造满足精度要求的、关于显著控制因子响应面近似模型Ⅱ，基于怠速振动性能构造满足精度要求的、关于显著控制因子响应面近似模型Ⅲ；具体为，提取DOE样本点和计算结果，基于前悬颤振冲击性能构造关于显著控制因子的响应面近似模型Ⅰ，基于前悬颤振余振性能构造关于显著控制因子的响应面近似模型Ⅱ，基于怠速振动性能构造关于显著控制因子的响应面近似模型Ⅲ；当近似模型的精度低于90%时，增加DOE采样的样本点并更新近似模型，直到近似模型精度大于90%。在本实施例中，如图3所示，根据残差分析和方差分析对近似模型精度进行验证，结果表明三个关注性能指标的方差分析结果均低于10%，满足精度要求。
步骤6，如图4所示，基于步骤5中的三个近似模型，进行贡献量分析，查找对关注性能贡献较大的控制因子，并初步分析控制因子和关注性能之间的相关性和冲突性，发现调整左悬置Z向刚度会引起颤振余振和怠速振动两项性能冲突，即一项性能提升的同时会造成另一项性能下降。基于步骤5中的三个近似模型，以“怠速振动值≤设计目标值，颤振冲击值≤设计目标值”为约束条件，以“最小化颤振余振”为优化目标，基于近似模型采用全局搜索算法（Self-adaptive Evolution）对各个控制因子进行优化设计并获得最佳匹配方案。将最佳匹配方案的具体参数代入步骤2中的前悬颤振仿真分析模型和怠速振动仿真模型进行验证，检验仿真结果与近似模型优化结果的差异。若仿真颤振余振值≤设计目标值，且仿真结果与近似模型优化结果偏差小于5%，说明验证合格；否则，需要返回步骤4，适当增大控制因子的设计空间，重新进行优化设计。
进一步验证与优化方案变更相关的其它性能，包括加速噪声分析、整车启/停分析。
在本实施例中对某车型的悬置系统进行优化设计后，检验仿真结果与近似模型优化结果的差异，发现结果偏差低于1%，性能均达标。然后，验证与优化方案变更相关的其它性能，包括加速噪声分析、整车启/停分析，发现性能均达标，主观评价整车平顺性和操作稳定性，发现性能有明显提升。说明多学科优化设计方案可以同时满足前悬颤振和怠速振动性能的要求，并且未引起其它性能恶化。
Claims (7)
1.一种基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，问题识别和P图分析，确定悬置系统多学科优化设计的相关参数；
步骤2，建立前悬颤振仿真分析模型并进行前悬颤振仿真分析，建立怠速振动仿真模型并进行怠速振动仿真分析；
步骤3，根据步骤1中的相关参数，确定悬置系统需要优化设计的多个控制因子，对各个控制因子进行参数化建模；
步骤4，进行各个控制因子的DOE采样计算；
步骤5，提取DOE样本点和计算结果，基于前悬颤振冲击性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅰ，基于前悬颤振余振性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅱ，基于怠速振动性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅲ；
步骤6，基于步骤5中的三个近似模型，以“怠速振动值≤设计目标值，颤振冲击值≤设计目标值”为约束条件，以“最小化颤振余振”为优化目标，对各个控制因子进行优化设计并获得优化方案，将优化方案代入步骤2中的前悬颤振仿真分析模型和怠速振动仿真模型进行验证。
2.根据权利要求1所述的基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤1中的相关参数如下：
输入信号包括过减速带产生的激振力（前悬颤振工况）、发动机缸压产生的力和力矩（怠速振动工况）；
控制因子包括悬置参数和悬架参数，悬置参数包括各悬置刚度和各悬置阻尼；悬架参数包括前减震器弹簧刚度、前悬架缓冲块间隙、前悬架减震器压缩阻尼以及前悬架缓冲块回弹阻尼；其中，悬置参数同时作为前悬颤振工况和怠速振动工况的控制因子，悬架参数仅作为前悬颤振工况的控制因子；
噪声因子包括动力总成左悬置、右悬置和后悬置刚度偏差；
输出状态包括颤振冲击、颤振余振、怠速振动。
3.根据权利要求1所述的基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为：在虚拟平滑路面建立减速带模型，作为仿真分析的输入，在软件Adams环境下搭建整车运动学模型，实现前悬颤振仿真分析；以发动机缸压产生的力和力矩作为输入，整车怠速NVH有限元模型作为对象，座椅导轨右后安装点振动作为评估指标，进行怠速振动仿真分析。
4.根据权利要求1所述的基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤3具体为：确定悬置系统需要优化设计的多个控制因子，对各个控制因子进行参数化建模，在Optimus平台下集成参数化建模、前悬颤振与怠速振动仿真分析流程。
5.根据权利要求1所述的基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤4具体为：确定各个控制因子的设计空间，采用最优拉丁超方试验设计方法分别开展各个控制因子的DOE采样计算。
6.根据权利要求1所述的基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，其特征在于，提取DOE样本点和计算结果，基于前悬颤振冲击性能构造响应面近似模型Ⅰ，基于前悬颤振余振性能构造响应面近似模型Ⅱ，基于怠速振动性能构造响应面近似模型Ⅲ；当近似模型的精度低于90%时，增加DOE采样的样本点并更新近似模型，直到近似模型精度大于90%。
7.根据权利要求1所述的基于前悬颤振和怠速振动的悬置系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤6还包括：基于步骤5中的三个近似模型，进行贡献量分析，查找对关注性能贡献较大的控制因子，并分析控制因子和关注性能之间的相关性和冲突性，筛选出显著性控制因子。
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