CN111832114B - 一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法 - Google Patents

一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及制动系统技术领域，具体地说是一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法。具体方法如下：检查数模的参数与实物样件的一致性；建立各个主要零部件仿真分析模型，得到分析结果；测量固有频率，得到频率结果；调整仿真模型的材料参数；建立子系统仿真模型；仿真输出实模态测点信息到试验；对子系统进行实模态试验，输出模态频率和振型信息；调整仿真模型的边界参数；全系统的复模态仿真计算，得到分析结果；得到噪音频率和工作振型信息；调整仿真模型接触和连接参数，得到可靠的制动尖叫仿真分析模型。同现有技术相比，该方法可以为现有的汽车制动尖叫仿真与试验匹配提供一套完整可靠的流程。

Description

一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法
技术领域
本发明涉及制动系统技术领域，具体地说是一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法。
背景技术
汽车制动尖叫问题一直是汽车工业界和学术界的热点和难点问题，它不仅会对汽车的舒适性、环保性等性能造成严重影响，而且会严重损害产品的市场声誉，常常导致巨额损失。因此，制动系统尖叫水平成为汽车制动系统设计开发水平的重要标志，备受业界高度重视。
目前，制动系统尖叫解决途径包括试验和仿真分析两种手段，两者是相辅相成的，试验手段发展更早，也更加直接可靠，但是更多是基于经验，由于制动尖叫问题的多样性和复杂性，很多问题中经验是不可靠的，从而带来了大量试验消耗并加长了项目开发周期。仿真分析耗时短，但是目前技术手段很难保证仿真模型能够较好的对标试验，在仿真模型没有对标好的情况下，仿真分析可靠性较低，也很难起到缩短项目周期节省试验资源的作用。
因此，一种用于提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法是很重要的，它是提高制动尖叫仿真可靠性的关键，是未来制动尖叫领域仿真是否能代替或者部分代替试验的关键，对未来制动尖叫仿真的发展起着至关重要的作用。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法，该方法可以为现有的汽车制动尖叫仿真与试验匹配提供一套完整可靠的流程。
为实现上述目的，设计一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法，其特征在于：具体方法如下：
步骤一：检查数模的参数与实物样件的一致性，保证零件的设计状态与实物零件的试验状态是完全相同的；
步骤二：建立各个主要零部件仿真分析模型，包括壳体、支架、制动盘、转向节、内摩擦片总成、外摩擦片总成，其中，内外摩擦片总成只包括背板和摩擦片，计算以上各个零部件的固有模态，得到分析结果；
步骤三：测量壳体、支架、制动盘、转向节、内摩擦片总成、外摩擦片总成的固有频率，得到频率结果；
步骤四：对比步骤二和步骤三的结果，调整仿真模型的材料参数，使仿真与试验结果一致，得到各个部件调整好的材料参数，包括弹性模量、密度；
步骤五：建立包含制动盘、转向节、支架、轴承总成的子系统仿真模型，设置基准边界，进行子系统的实模态仿真计算，得到分析结果；
步骤六：仿真输出实模态测点信息到试验；
步骤七：根据仿真输出的实模态测点信息，对包含制动盘、转向节、支架、轴承总成的子系统进行实模态试验，输出模态频率和振型信息；
步骤八：对比步骤五和步骤七的结果，计算试验结果和子系统仿真实模态之间的模态置信度，调整仿真模型的边界参数，使仿真与试验结果一致，得到调整好的边界参数；
步骤九：建立包含所有零部件的制动角仿真完整模型，在步骤四和步骤八对标好的基础上，进行全系统的复模态仿真计算，得到分析结果；
步骤十：仿真输出工作振型测点信息到试验；
步骤十一：根据仿真输出的工作振型测点信息，测量制动尖叫发生时的工作振型，得到噪音频率和工作振型信息；
步骤十二：对比步骤九和步骤十一的结果，计算试验结果和全系统仿真复模态之间的模态置信度，调整仿真模型接触和连接参数，使仿真与试验结果一致，得到可靠的制动尖叫仿真分析模型。
所述的固有频率的公式为
Figure GDA0003514481590000021
其中，k为刚度特性，跟弹性模量E有直接线性关系，m为质量特性。
所述的子系统的实模态与试验之间的模态置信度计算公式为
Figure GDA0003514481590000022
表示两个实模态振型向量之间的相关性，0≤MAC≤1，当MAC＝0的时候，两个模态振型向量是互相垂直的，当MAC＝1的时候，两个模态振型向量是互相平行的。
所述的全系统的复模态与试验之间的模态置信度公式为
Figure GDA0003514481590000023
表示两个复模态振型向量之间的相关性，0≤MAC≤1，当MAC＝0的时候，两个模态振型向量是互相垂直的，当MAC＝1的时候，两个模态振型向量是互相平行的。
本发明同现有技术相比，提供一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法，该方法可以为现有的汽车制动尖叫仿真与试验匹配提供一套完整可靠的流程。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为匹配好的可靠的制动尖叫仿真分析模型与试验之间的对比示意图。
图3为优化前的噪音试验结果图。
图4为优化后的噪音试验结果图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法，具体方法如下：
步骤一：检查数模的参数与实物样件的一致性，保证零件的设计状态与实物零件的试验状态是完全相同的；
步骤二：建立各个主要零部件仿真分析模型，包括壳体、支架、制动盘、转向节、内摩擦片总成、外摩擦片总成，其中，内外摩擦片总成只包括背板和摩擦片，计算以上各个零部件的固有模态，得到分析结果；
步骤三：测量壳体、支架、制动盘、转向节、内摩擦片总成、外摩擦片总成的固有频率，得到频率结果；
步骤四：对比步骤二和步骤三的结果，调整仿真模型的材料参数，使仿真与试验结果一致，得到各个部件调整好的材料参数，包括弹性模量、密度；
步骤五：建立包含制动盘、转向节、支架、轴承总成的子系统仿真模型，设置基准边界，进行子系统的实模态仿真计算，得到分析结果；
步骤六：仿真输出实模态测点信息到试验；
步骤七：根据仿真输出的实模态测点信息，对包含制动盘、转向节、支架、轴承总成的子系统进行实模态试验，输出模态频率和振型信息；
步骤八：对比步骤五和步骤七的结果，计算试验结果和子系统仿真实模态之间的模态置信度，调整仿真模型的边界参数，使仿真与试验结果一致，得到调整好的边界参数；
步骤九：建立包含所有零部件的制动角仿真完整模型，在步骤四和步骤八对标好的基础上，进行全系统的复模态仿真计算，得到分析结果；
步骤十：仿真输出工作振型测点信息到试验；
步骤十一：根据仿真输出的工作振型测点信息，测量制动尖叫发生时的工作振型，得到噪音频率和工作振型信息；
步骤十二：对比步骤九和步骤十一的结果，计算试验结果和全系统仿真复模态之间的模态置信度，调整仿真模型接触和连接参数，使仿真与试验结果一致，得到可靠的制动尖叫仿真分析模型。
固有频率的公式为
Figure GDA0003514481590000041
其中，k为刚度特性，跟弹性模量E有直接线性关系，m为质量特性。
子系统的实模态与试验之间的模态置信度计算公式为
Figure GDA0003514481590000042
表示两个实模态振型向量之间的相关性，0≤MAC≤1，当MAC＝0的时候，两个模态振型向量是互相垂直的，当MAC＝1的时候，两个模态振型向量是互相平行的。
全系统的复模态与试验之间的模态置信度公式为
Figure GDA0003514481590000043
表示两个复模态振型向量之间的相关性，0≤MAC≤1，当MAC＝0的时候，两个模态振型向量是互相垂直的，当MAC＝1的时候，两个模态振型向量是互相平行的。
整体步骤如下：
(1)CAD数模与试验样件的信息确认：为了保证仿真与试验的一致性，首先要确保最基本的数模与实物样件是一致的，需要保证零件的设计状态与实物零件的试验状态是完全相同的；
(2)主要零配件仿真与试验之间的模态匹配：为了保证仿真与试验的一致性，需要保证最基本的零部件仿真分析参数与试验一致，基于步骤(1)的CAD数模和测试样件，进行主要零部件的固有模态测试和固有模态仿真计算，包括壳体、支架、制动盘、转向节、内摩擦片、外摩擦片，通过仿真模态和试验模态的对比得到用于仿真计算的零件材料参数，包括弹性模量和密度；
(3)制动角子系统仿真与试验之间的模态匹配：为了保证仿真与试验的一致性，需要保证仿真与试验的边界设置是一致的，采用制动角子系统的仿真模态与试验模态进行对比，子系统包括制动盘、转向节、支架以及轴承总成；基于步骤(2)调整好的材料参数，进行该子系统模态仿真分析，并输出模态测试点信息，然后对该子系统进行模态试验；最后通过仿真与试验之间模态置信度(MAC值)计算来调整仿真模型的边界条件参数，使仿真与试验边界条件一致；
(4)制动角全系统仿真与试验之间的复模态匹配：为了保证仿真与试验的一致性，需要保证仿真与试验之间的各个零部件之间的连接关系是一致的，包括接触和连接设置；基于步骤(2)和步骤(3)的调整结果，进行全系统复模态仿真分析，并输出工作振型测点信息，然后对全系统进行制动尖叫发生时的工作振型测量；最后通过仿真与试验之间模态置信度(MAC值)计算来调整仿真模型的接触和连接参数，使仿真与试验一致，从而得到可靠的制动尖叫仿真分析模型。
实施例：
首先，根据零部件实物样件的质量以及零部件对应数模的体积，可算出用于仿真计算的材料密度ρ0，固有频率计算公式为：
Figure GDA0003514481590000051
其中，k表示刚度特性，跟弹性模量E有直接线性关系，m表示质量特性，跟密度ρ有直接线性关系，因此公式(1)进一步表示为：
Figure GDA0003514481590000052
其中，a为不变常系数。
根据名义参数计算出一组频率数据ω名义，例如：E名义＝1.7×105MPa，ρ名义＝7.2×10-9t/mm3，因此，
Figure GDA0003514481590000053
试验会提供模态频率ω试验，并且
Figure GDA0003514481590000054
结合公式(3)和公式(4)，可得到#
Figure GDA0003514481590000055
公式(5)可知，已知ω试验，ω名义，ρ0，ρ名义，E名义可以算出调整之后的弹性模量E目标。ρ0和E目标即为调整好的材料参数。
其次，子系统包含制动盘、转向节、支架、轴承，仿真输出该子系统用于试验实模态测试的测点。试验根据测点信息测量0.8倍目标噪音频率到1.2倍目标噪音频率的子系统实模态振型，用于后续仿真对标。
基于上述中的零部件材料参数调整结果，制动盘、转向节、支架和轴承材料参数均为已知，各个部件之间的连接关系也为已知，只有系统边界跟试验状态不一致。边界条件可等效为边界刚度参数，在下摆臂、转向拉杆、减振器以及制动盘中心均可用一组6向刚度弹簧(3个平动刚度，3个转动刚度)模拟，根据经验以及实际要求设置各个刚度的极限值，进行多参数实模态仿真计算，得出仿真振型，并跟测量的实模态振型进行对比，计算实模态与试验之间的模态置信度，采用以下公式
Figure GDA0003514481590000061
公式(6)表示两个实模态振型向量之间的相关性，0≤MAC≤1，当MAC＝0的时候，两个模态振型向量是互相垂直的，当MAC＝1的时候，两个模态振型向量是互相平行的，MAC值越接近1表示试验与仿真之间的匹配程度更优。
通过计算仿真实模态振型与试验模态振型之间的MAC值，选择最优计算结果，并将对应的弹簧刚度参数作为边界条件，用作下一步全系统模型仿真计算的输入。
然后，全系统包含所有零部件以及它们之间的连接关系，仿真输出该全系统用于试验工作振型测试的测点。根据测点信息，试验测量目标噪音的工作振型，用于后续仿真对标。
基于上述中的零部件参数调整结果和边界条件参数，该全系统与试验之间差异在于各个零部件之间的接触连接参数(活塞壳体，支架背板等等)，将特定接触参数化，进行多参数复模态仿真计算，得出仿真振型，并跟测量的工作振型进行对比，计算复模态与试验之间的模态置信度，采用以下公式
Figure GDA0003514481590000062
公式(7)表示两个复模态振型向量之间的相关性，0≤MAC≤1，当MAC＝0的时候，两个模态振型向量是互相垂直的，当MAC＝1的时候，两个模态振型向量是互相平行的，通常MAC的值越接近1表示试验与仿真之间的匹配程度更优。
通过计算仿真复模态振型与试验工作振型之间的MAC值，并确保仿真复模态频率与试验噪音频率相差在100Hz以内，选择最优计算结果，得到可靠的制动尖叫仿真分析模型。
最后，理论依据为振动领域的固有频率计算以及模态置信度计算，详细公式见上述的描述。
制动系统产品噪音项目采用该方法，仿真与试验匹配度从30％左右提高到95％，如图2所示，得到了可靠的制动尖叫仿真分析模型，并用于后续的仿真方案研究，也提出了有效的改进方案，方案通过了试验验证，解决了项目噪音问题，且提供的方案已经批产。

Claims (4)

1.一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法，其特征在于：具体方法如下：
步骤一：检查数模的参数与实物样件的一致性，保证零件的设计状态与实物零件的试验状态是完全相同的；
步骤二：建立各个主要零部件仿真分析模型，包括壳体、支架、制动盘、转向节、内摩擦片总成、外摩擦片总成，其中，内外摩擦片总成只包括背板和摩擦片，计算以上各个零部件的固有模态，得到分析结果；
步骤三：测量壳体、支架、制动盘、转向节、内摩擦片总成、外摩擦片总成的固有频率，得到频率结果；
步骤四：对比步骤二和步骤三的结果，调整仿真模型的材料参数，使仿真与试验结果一致，得到各个部件调整好的材料参数，包括弹性模量、密度；
步骤五：建立包含制动盘、转向节、支架、轴承总成的子系统仿真模型，设置基准边界，进行子系统的实模态仿真计算，得到分析结果；
步骤六：仿真输出实模态测点信息到试验；
步骤七：根据仿真输出的实模态测点信息，对包含制动盘、转向节、支架、轴承总成的子系统进行实模态试验，输出模态频率和振型信息；
步骤八：对比步骤五和步骤七的结果，计算试验结果和子系统仿真实模态之间的模态置信度，调整仿真模型的边界参数，使仿真与试验结果一致，得到调整好的边界参数；
步骤九：建立包含所有零部件的制动角仿真完整模型，在步骤四和步骤八对标好的基础上，进行全系统的复模态仿真计算，得到分析结果；
步骤十：仿真输出工作振型测点信息到试验；
步骤十一：根据仿真输出的工作振型测点信息，测量制动尖叫发生时的工作振型，得到噪音频率和工作振型信息；
步骤十二：对比步骤九和步骤十一的结果，计算试验结果和全系统仿真复模态之间的模态置信度，调整仿真模型接触和连接参数，使仿真与试验结果一致，得到可靠的制动尖叫仿真分析模型。
2.根据权利要求1所述的一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法，其特征在于：所述的固有频率的公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 133679DEST_PATH_IMAGE002
为刚度特性，跟弹性模量
Figure DEST_PATH_IMAGE003
有直接线性关系，
Figure 503349DEST_PATH_IMAGE004
为质量特性。
3.根据权利要求1所述的一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法，其特征在于：所述的子系统的实模态与试验之间的模态置信度计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，表示两个实模态振型向量之间的相关性，
Figure 486348DEST_PATH_IMAGE006
，当
Figure DEST_PATH_IMAGE007
的时候，两个模态振型向量是互相垂直的，当
Figure 84820DEST_PATH_IMAGE008
的时候，两个模态振型向量是互相平行的。
4.根据权利要求1所述的一种提高汽车制动尖叫仿真与试验匹配度的方法，其特征在于：所述的全系统的复模态与试验之间的模态置信度公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，表示两个复模态振型向量之间的相关性，
Figure 853187DEST_PATH_IMAGE010
，当
Figure DEST_PATH_IMAGE011
的时候，两个模态振型向量是互相垂直的，当
Figure 878912DEST_PATH_IMAGE012
的时候，两个模态振型向量是互相平行的。
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