CN112380615A - 一种面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法及制动盘 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法及制动盘，包括以下步骤：选择设计变量及目标函数；获取关于所有设计变量的初始取值建立盘式制动器系统的制动尖叫复模态有限元简化模型；根据所有设计变量的初始取值,采用中心复合试验设计方法采样获取样本点；求解盘式制动器系统复特征值，判断不稳定模态，计算加权制动尖叫倾向系数；构造加权制动尖叫倾向系数的二阶近似响应面模型；检验响应面模型是否满足要求；通过多岛遗传算法对响应面模型进行优化，得到设计变量的优化值；检验优化结果。本发明以加权制动尖叫倾向系数为优化目标建立制动盘制动尖叫优化模型,用多岛遗传算法对模型进行优化,使得制动盘发生制动尖叫的可能性降到最低。
Description
技术领域
本发明属于汽车制动噪声领域，尤其涉及一种面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法及制动盘。
背景技术
制动尖叫，又被称为刹车尖叫，是指车辆在制动时因制动器工作振动而引起的1-16k赫兹频率的噪声。尽管经过多年研究，汽车行业中的“制动尖叫”问题仍然存在，制动尖叫不仅会对车辆驾驶员和乘客带来相当大的身心伤害，而且会大幅度降低车辆产品的竞争力。因此，如何有效地消减或消弭在制动过程当中车辆发出的制动尖叫噪声，是现如今汽车行业面临的一个重大难题。目前，鲜有研究特别针对制动器某一部件的关键设计参数，或者全部设计参数进行优化设计，对于如何合理选择制动尖叫评价指标也未形成共识。而制动盘是盘式制动器最主要的零部件之一，在制动时制动盘与制动块通过直接接触，产生摩擦作用。制动盘的模态振型对制动系统的模态耦合具有重要影响，是影响制动尖叫的关键因素。因此，针对制动盘进行面向制动尖叫的结构优化设计具有重要的工程价值。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提出了一种面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法及制动盘，简单而可靠，快速而高效，为解决制动尖叫问题提供新方法。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，包括以下步骤：
1)选择设计变量及目标函数；
2)获取关于所有设计变量的初始取值建立盘式制动器系统的制动尖叫复模态有限元简化模型；
3)根据所有设计变量的初始取值,采用中心复合试验设计方法采样获取样本点；
4)求解盘式制动器系统复特征值，判断不稳定模态，计算加权制动尖叫倾向系数；
5)构造加权制动尖叫倾向系数的二阶近似响应面模型；
6)检验响应面模型是否满足要求；
7)通过多岛遗传算法对响应面模型进行优化，得到设计变量的优化值；
8)检验优化结果。
上述方案中，所述步骤1)中选取制动盘的弹性模量，制动盘内外面厚度，散热筋的高度，以及盘帽高度为设计变量，以加权制动尖叫倾向系数为目标函数。
进一步的，所述加权制动尖叫倾向系数通过以下表达式计算：
其中，
为盘式制动器系统复特征值实部最大值除以其对所在不稳定频率的虚部值，
为盘式制动器系统复特征值实部与其对所在不稳定频率的虚部值的比值的最大值，j为不稳定频率个数，i为正实数，i＝1、2、3...j，Ai为盘式制动器系统复特征值的实部,Bi为盘式制动器系统复特征值的虚部且Ai>0,,Bi>0，W1,W2,W3为加权系数,分别取值为0.45，0.45，0.1。
上述方案中，所述步骤2)具体为：获取关于所有设计变量的初始取值对通风制动盘、制动块进行三维建模，对制动盘和制动块进行网格划分，制动盘网格划分时选用六面体主导网格划分方法，制动盘整体网格划分设置完成后对局部结构进行细化，采用FaceMeshing对制动盘两个端面新建映射面网格划分，使两个制动盘端面能够生成纯六面体网格，并排除楔形单元对有限元分析的干扰。
上述方案中，所述步骤3)中根据所有设计变量的初始取值,在原取值波动10％范围内采用中心复合试验设计方法采样获取样本点。
上述方案中，所述步骤4)具体为：将所述样本点代入所述盘式制动器制动尖叫复模态有限元简化模型中求解复特征值,根据具有正实部的复特征值判断所述盘式制动器系统的不稳定模态，并计算该样本点的加权制动尖叫倾向系数。
上述方案中，所述步骤5)具体为：根据试验设计结果，用最小二乘法计算回归系数矩阵，构造加权制动尖叫倾向系数的二阶近似响应面模型。
上述方案中，所述步骤6)具体为：通过F检验来检验响应面模型是否满足精度要求，是则进行下一步骤，否则返回步骤3)。
上述方案中，所述步骤8)具体为：将所述设计变量的优化值代入到盘式制动器制动尖叫复模态有限元简化模型中求解复特征值,计算优化后的加权制动尖叫倾向系数，并与优化前的加权制动尖叫倾向系数进行对比。
一种制动盘，所述制动盘根据所述面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明利用响应面设计原理，选取制动盘关键结构参数作为设计变量，进行最少的实验次数得到优化结果，提高了效率，避免浪费时间。
2.本发明以加权制动尖叫倾向系数为评价目标，此系数凸显出对制动尖叫最有可能发生的制动尖叫频率的重点控制，也能对可能发生制动尖叫的全局进行控制。
3.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明所述的一种面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法流程图。
图2为本发明所述的通风盘式制动器三维模型简化图。
图3为本发明所述的制动块与制动盘网格划分图。
图4为本发明所述的对制动系统施加制动压力及设置相应的约束边界条件图。
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,以下结合附图对本发明作进一步地详细说明,但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
如图1所示，本发明所述面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，包括如下步骤：
1)选择设计变量及目标函数：选取制动盘的弹性模量，制动盘内外面厚度，散热筋的高度，以及盘帽高度为设计变量，以加权制动尖叫倾向系数(Weighted Brake SquealTendency Coefficient)为目标函数，此加权制动尖叫倾向系数凸显出对制动尖叫最有可能发生的制动尖叫频率的重点控制，也能对可能发生制动尖叫的全局进行控制。考虑到制动盘盘面半径的变化会严重影响盘块之间的接触装配位置关系，因此选取制动盘的4个结构参数作为优化设计的设计变量，初始参数设置见表1。
表1制动盘制动尖叫结构优化设计变量初始参数取值表
2)建立盘式制动器系统的制动尖叫复模态有限元简化模型：获取关于所有设计变量的初始取值建立盘式制动器系统的制动尖叫复模态有限元简化模型。具体为：获取关于所有设计变量的初始取值对通风制动盘、制动块进行三维建模，对制动盘和制动块进行网格划分，制动盘网格划分时选用六面体主导网格划分方法，制动盘整体网格划分设置完成后对局部结构进行细化，采用Face Meshing对制动盘两个端面新建映射面网格划分，使两个制动盘端面能够生成纯六面体网格，并排除楔形单元对有限元分析的干扰。
如图2所示，制动器结构较简单、零部件数目少，除制动钳结构较复杂外，其它部件结构简单规则。根据模态耦合理论可知，制动噪声的产生主要是因为制动盘和制动块的两个相近的模态耦合导致的。因此本发明根据工程实际确定所有设计变量的初始取值对通风制动盘、制动块进行三维建模，制动器总成装配时只保留制动盘和制动块。为便于后续网格划分和仿真收敛，需要对制动盘进行合理的简化处理，忽略对制动噪声研究影响较小的凹槽、倒角和其它一些对制动盘体工作区域无影响的细部结构，对制动块做相同处理。将三维模型导入到Ansys Workbench软件中对各零部件的材料进行取值，取值参数详见表2。
表2盘式制动器各零部件材料取值表
如图3所示，对制动盘和制动块进行网格划分；运用Ansys Workbench软件对制动盘和制动块进行网格划分。制动盘工作区域结构类似环形板，形状相对规则，相对于制动器其它部件，其对制动噪声的影响更大，因此对划分的网格质量要求也更高。一般认为六面体单元计算精度要高于四面体单元，并且在精度要求相同的情况下，采用六面体单元还可以减小运算规模，节省运算时间和对计算机内存的需求。因此制动盘网格划分时选用六面体主导网格划分方法，单元格尺寸设置为3mm。制动盘整体网格划分设置完成后对局部结构进行细化，采用Face Meshing对制动盘两个端面新建映射面网格划分，使两个制动盘端面可以生成纯六面体网格，并排除楔形单元对有限元分析的干扰。网格划分完成后对网格单元质量进行检查，单元质量越接近于1表明网格质量越好。
3)中心复合试验设计：根据所有设计变量的初始取值,原取值波动10％范围内采用中心复合试验设计方法采样获取样本点。优选的，本实施例中选取如表3所示4个设计变量。同时对每个设计变量选取合适的水平，即取值区间，尽量涵盖每个因子允许取值的最大空间，避免由于水平区间过小而反映不出实际的因子影响能力。通过中心复合试验设计4因素5水平试验设计表。
表3 4因素5水平中心复合试验设计表
4)求解系统复特征值，判断不稳定模态，计算加权制动尖叫倾向系数：将所述样本点代入所述盘式制动器制动尖叫复模态有限元简化模型中求解复特征值,根据具有正实部的复特征值判断所述盘式制动器系统的不稳定模态，并计算该样本点的加权制动尖叫倾向系数。如图4所示，图中A、C是约束条件，A代表着远端位移约束，C是固定约束，B是载荷条件，复模态分析需保证以下五点：弹性体介质连续，无空隙，且弹性体变形后介质仍然连续；弹性体的材料密度均匀，同一个部件的任何部分均具有相同的物理特性；制动盘、制动块均为各向同性材料，物理性能在各个方向上都是一致的；弹性体在外部载荷作用下会产生变形，变形量与部件本身结构尺寸的比值应为高阶无穷小；忽略温度变化对于材料物理特性的影响。求解复模态时，系统接触设置为：制动盘与摩擦衬片之间为摩擦接触(Frictional)，摩擦衬片与制动块背板之间为绑定接触(Bond)。约束条件为：制动盘帽部与轮毂连接，但制动盘可以沿着圆盘中心轴线转动，所以约束制动盘帽部除绕圆盘中心轴线转动自由度以外的五个自由度。摩擦衬片与制动块背板通过高温压制粘合在一起，即制动块可视为一体，这里约束制动块两个位移自由度(若定义圆盘中心轴线方向为Z向，则此处约束制动块X向和Y向位移自由度)。载荷条件为：制动块在给定的1Mpa接触压力压紧制动盘，并且制动盘以恒定的转速2rad/s进行旋转，两零件接触面直接无润滑，摩擦系数为0.44。通过有限元软件进行复模态分析，求解复特征值,根据具有正实部的复特征值判断制动器系统的不稳定模态并计算加权制动尖叫倾向系数。
所述加权制动尖叫倾向系数计算公式为：
其中，
为系统复特征值实部最大值除以其对所在不稳定频率的虚部值，
为系统复特征值实部与其对所在不稳定频率的虚部值的比值的最大值，j为不稳定频率个数，i为正实数，i＝1、2、3...j，Ai为盘式制动器系统复特征值的实部,Bi为盘式制动器系统复特征值的虚部且Ai>0,,Bi>0，W1,W2,W3为加权系数,分别取值为0.45，0.45，0.1。
将试验设计所获得的样本点代入到盘式制动器制动尖叫复模态有限元简化模型中求解系统复特征值，计算加权制动尖叫倾向系数，计算结果如表4所示。
表4加权制动尖叫倾向系数的试验设计结果
5)构造加权制动尖叫倾向系数的二阶近似响应面模型：根据试验设计结果，用最小二乘法计算回归系数矩阵，构造加权制动尖叫倾向系数的二阶近似响应面模型。该方法基本原理是通过数理统计和试验设计的方法,建立系统参数和响应值之间的函数关系,用以代替复杂的真实模型。
在本发明中,制动器系统响应与系统参数之间满足以下函数关系：
y＝g(x1,x2,…xn)
式中,y为制动器系统响应,(x1,x2,…xn)为制动器系统的n个系统参数(设计变量)。
通过试验设计,系统响应与设计变量确定的函数关系为：
y＝f(x1,x2,…xn)
式中,f(x1,x2,…xn)是对g(x1,x2,…xn)的近似，其表示的曲面为响应面。
本发明中采用的二次多项式响应面近似模型的基本形式为：
式中,a为未知系数列阵，x为设计变量，s为a行标号，t为a的列标号，a0为常数项系数，as为一次项xs的系数，ass为二次项xs 2系数，ast为二次项xsxt系数，n表示设计变量的个数。
根据试验设计结果，用最小二乘法计算回归系数矩阵，构造模态不稳定系数的二次多项式响应面近似函数，考虑到共有四个设计参数，在建立响应面模型时，考虑所有的二次项、一次项和各因素之间的交互作用。在二次回归分析中采用后退法忽略影响不显著的设计参数和交互作用进行删除。近似函数为：
y＝0.01-6.649*10^(-4)*x(1)-2.65*10^(-3)*x(2)
+1.422*10^(-3)*x(3)-2.732*10^(-4)*x(4)
+1.146*10^(-3)*x(1)*x(2)+1.663*10^(-3)*x(1)*x(3)
-2.217*10^(-3)*x(1)*x(4)+8.092*10^(-4)*x(1)*x(4)
+8.092*10^(-4)*x(2)*x(3)-9.387*10^(-4)*x(3)*x(4)
+1.881*10^(-4)*x(1)*x(1)+3.99*10^(-4)*x(2)*x(2)
+8.616*10^(-4)*x(3)*x(3)-4.485*10^(-4)*x(4)*x(4)
6)检验响应面模型是否满足要求：运用概率统计学中的F检验方法对响应面模型进行显著性分析，若满足精度要求则进行下一步遗传算法优化，否则返回步骤3)重新进行试验设计，在工程实际中，一般认为模型的相关系数大于0.9，拥有较大的F值和较小的P值时，模型的精度达到工程精度要求。经检验上式响应面模型满足精度要求，如表5所示。
表5响应面模型精度检验表
7)多岛遗传算法优化：以加权制动尖叫倾向系数为优化目标,基于加权制动尖叫倾向系数表达式以及制动器系统的研究参数建立制动盘制动尖叫优化模型,并对该优化模型进行优化,查找设计参数的优化值。
面向制动尖叫的制动盘结构优化目的是降低制动器制动尖叫发生的可能性。此处，选取加权制动尖叫倾向系数为优化目标。在本发明中,选取制动盘内外面厚度，散热筋高度，盘帽高度，制动盘弹性模量为设计变量，建立如下式所示的优化模型：
minf(X)＝Y
s.t.Y＞0
xcl≤xc≤xcu c＝1,2,3，4
式中,X为设计变量矢量，Y为加权制动尖叫倾向系数，xcl,xcu为设计变量下限和上限，各设计变量取值范围见表6。
表6设计变量初始值和取值范围
采用多岛遗传算法对模型进行优化计算。优化结果如表7所示。
表7优化前后设计变量和目标函数的对比值
8)检验优化结果：为了验证响应面模型优化结果的正确性，将优化后的设计变量取值代入复模态有限元模型，通过仿真计算，系统的加权制动尖叫倾向系数为0.004538，可见响应面法优化结果误差仅为1.52％，且优化后的加权制动尖叫倾向系数由0.009566降到了0.004538，优化效果良好，使制动尖叫发生的可能性大大降低。
综上所述,本发明的一种面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法,以加权制动尖叫倾向系数为优化目标建立制动盘制动尖叫优化模型,采用多岛遗传算法对优化模型进行优化,搜索设计参数的最优设计值,使得制动盘发生制动尖叫的可能性降到最低。
实施例2
一种制动盘，所述制动盘根据实施例1所述面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法得到，因此具有实施例1所述的有益效果，此处不再赘述。
以上所述,仅为本发明的具体实施方法,本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内,对本发明的修改或替换,都应在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选择设计变量及目标函数；
2)获取关于所有设计变量的初始取值建立盘式制动器系统的制动尖叫复模态有限元简化模型；
3)根据所有设计变量的初始取值,采用中心复合试验设计方法采样获取样本点；
4)求解盘式制动器系统复特征值，判断不稳定模态，计算加权制动尖叫倾向系数；
5)构造加权制动尖叫倾向系数的二阶近似响应面模型；
6)检验响应面模型是否满足要求；
7)通过多岛遗传算法对响应面模型进行优化，得到设计变量的优化值；
8)检验优化结果。
2.根据权利要求1所述的面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤1)中选取制动盘的弹性模量，制动盘面厚度，散热筋高度，以及盘帽高度为设计变量，以加权制动尖叫倾向系数为目标函数。
3.根据权利要求2所述的面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，其特征在于，所述加权制动尖叫倾向系数通过以下表达式计算：
其中，
为盘式制动器系统复特征值实部最大值除以其对所在不稳定频率的虚部值，
为盘式制动器系统复特征值实部与其对所在不稳定频率的虚部值的比值的最大值，j为不稳定频率个数，i为正实数，i＝1、2、3...j，Ai为盘式制动器系统复特征值的实部,Bi为盘式制动器系统复特征值的虚部且Ai>0,,Bi>0，W1,W2,W3为加权系数,分别取值为0.45，0.45，0.1。
4.根据权利要求1所述的面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：获取关于所有设计变量的初始取值对通风制动盘、制动块进行三维建模，对制动盘和制动块进行网格划分，制动盘网格划分时选用六面体主导网格划分方法，制动盘整体网格划分设置完成后对局部结构进行细化，采用Face Meshing对制动盘两个端面新建映射面网格划分，使两个制动盘端面能够生成纯六面体网格，并排除楔形单元对有限元分析的干扰。
5.根据权利要求1所述的面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤3)中根据所有设计变量的初始取值,在原取值波动10％范围内采用中心复合试验设计方法采样获取样本点。
6.根据权利要求1所述的面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：将所述样本点代入所述盘式制动器制动尖叫复模态有限元简化模型中求解复特征值,根据具有正实部的复特征值判断所述盘式制动器系统的不稳定模态，并计算该样本点的加权制动尖叫倾向系数。
7.根据权利要求1所述的面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：根据试验设计结果，用最小二乘法计算回归系数矩阵，构造加权制动尖叫倾向系数的二阶近似响应面模型。
8.根据权利要求1所述的面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤6)具体为：通过F检验来检验响应面模型是否满足精度要求，是则进行下一步骤，否则返回步骤3)。
9.根据权利要求1所述的面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤8)具体为：将所述设计变量的优化值代入到盘式制动器制动尖叫复模态有限元简化模型中求解复特征值,计算优化后的加权制动尖叫倾向系数，并与优化前的加权制动尖叫倾向系数进行对比。
10.一种制动盘，其特征在于，所述制动盘根据权利要求1-9任意一项所述面向制动尖叫的制动盘结构优化设计方法得到。
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