CN113761768A - 面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,针对磁流变阻尼器结构与控制器之间存在的耦合等问题,以磁流变阻尼器结构参数为优化变量,以磁流变阻尼器磁感应强度为约束条件,以车辆目标性能参数的加速度均方根值以及频域幅值均取得最小值为优化目标,对磁流变阻尼器进行一体化优化设计,获得磁流变阻尼器在整车动力学模型下的全局最优结构参数。本发明能够兼顾车辆整车性能,提升车辆的平顺性和操稳性,可满足不同工况下的隔振需求,实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及车辆零部件设计领域,具体涉及一种面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法。
背景技术
为满足车辆行驶时复杂工况对隔振性能的不同要求,性能卓越的磁流变阻尼器应具有较大的可控阻尼力和较小的粘性阻尼力。然而,在获取较大的可控阻尼力时,粘性阻尼力也随之增加。为了折衷性能指标之间的矛盾,部分学者针对磁流变阻尼器单体性能展开了相关研究,而磁流变阻尼器作为底盘的重要子系统,在割裂阻尼器与车轮和底盘的耦合振动关系时,会忽略结构与控制之间存在的耦合问题,孤立地研究磁流变阻尼器本体的优化设计,不能兼顾整车性能,很难实现磁流变阻尼器与整车NVH品质之间的良好匹配关系。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是克服现有技术中的缺陷,提供面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,能够兼顾车辆整车性能,提升车辆的平顺性和操稳性,可满足不同工况下的隔振需求,实用性强。
本发明的面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,包括:
考虑结构设计和控制器之间的耦合,以磁路磁感应强度为约束条件,以结构参数为优化变量,以目标工况下车辆目标性能参数的加速度均方根值以及频域幅值最小为优化目标,构建整车动力学一体化优化模型;并使用整车动力学一体化优化模型对磁流变阻尼器进行优化设计,获得磁流变阻尼器的优化结构参数。
进一步,所述整车动力学一体化优化模型包括7自由度的整车动力学模型;所述7自由度包括车身垂向运动、车身侧倾运动、车身俯仰运动以及4个车轮的垂向运动。
进一步,设计模糊PID控制器,并使用模糊PID控制器对磁流变阻尼器的电流进行实时控制。
进一步,对磁路进行参数化建模与仿真分析,并将得到的磁路磁感应强度作为约束条件。
进一步,基于结构/控制一体化平台,筛选出结构参数,并将所述结构参数作为优化变量。
进一步,选取表征平顺性和操稳性的评价指标,并将所述评价指标作为优化目标。
本发明的有益效果是:本发明公开的一种面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,通过考虑磁流变阻尼器结构和控制之间的耦合关系,构建整车动力学一体化优化模型,对磁流变阻尼器的结构参数进行优化设计,使得车辆的目标性能参数的加速度均方根值以及频域值均取得最小值,进而实现对车辆平顺性和操稳性的提升,兼顾了车辆整车性能,满足了不同工况下的隔振需求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述:
图1为本发明的原理设计示意图;
图2为本发明的匀速行驶工况下一体化优化设计前后的时域图;
图3为本发明的匀速行驶工况下一体化优化设计前后的频域图;
图4为本发明的过减速带工况下一体化优化设计前后的时域图;
图5为本发明的过减速带工况下一体化优化设计前后的频域图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明,如图1所示:
本发明的面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,包括:
考虑结构设计和控制器之间的耦合,以磁路磁感应强度作为约束条件,以磁流变阻尼器的结构参数作为优化变量,以目标工况下车辆目标性能参数的加速度均方根值以及频域幅值最小为优化目标,构建整车动力学一体化优化模型;并使用整车动力学一体化优化模型对磁流变阻尼器进行优化设计,获得磁流变阻尼器的优化结构参数。其中,所述结构参数包括阻尼间隙、倾斜角度、内径尺寸以及磁芯长度;所述目标工况包括匀速行驶工况和过减速带工况;所述目标性能参数包括悬架动挠度、车身垂向加速度以及轮胎动载荷。
本实施例中,所述整车动力学一体化优化模型包括7自由度的整车动力学模型;所述7自由度包括车身垂向运动、车身侧倾运动、车身俯仰运动以及4个车轮的垂向运动;其中,可以采用动力学仿真软件搭建7自由度的整车动力学模型。
本实施例中,通过考虑结构和控制之间的耦合,设计一款实用性强的模糊PID控制器,使用模糊PID控制器控制整车动力学一体化优化模型,将所述优化模型输出的优化目标的值输入到所述控制器而形成正反馈,将所述控制器输出的电流输入到所述优化模型而形成负反馈,通过上述设计,从而形成一个系统闭环。并通过采用现有的智能优化算法来计算车辆的目标性能参数的加速度均方根值以及频域幅值;其中,现有的智能优化算法可以为非支配排序遗传算法。
本实施例中,根据实际工况设定约束条件的经验值,并将所述经验值作为磁路磁感应强度最小值;选取磁流变液及磁芯的磁饱和值作为磁路磁感应强度最大值;则将磁路磁感应强度限定在所述磁路磁感应强度最小值与所述磁路磁感应强度最大值之间。
本实施例中,选取表征平顺性和操稳性的常用评价指标,并将所述评价指标作为优化目标,通过时频分析方法获得优化目标的最小值,并将取得最小值时设置的优化变量作为磁流变阻尼器的最优结构参数。
本实施例中,基于结构/控制一体化优化平台,利用灵敏度分析方法筛选出对车辆目标性能影响较大的结构参数,研究磁流变阻尼器结构参数对车辆NVH品质的影响规律,为一体化优化变量的制定提供决策依据;其中,为实现磁流变阻尼器与整车NVH品质之间的优良匹配关系,提取车辆振动观测点目标工况下振动响应的时频特征,通过分析时频特征量与整车固有特性、外部激励等因素之间的关联性,揭示其映射关系。
本实施例中,根据如下方法确定磁路磁感应强度:
对磁路进行参数化建模,得到建模后的磁路,对建模后的磁路的电磁场进行仿真分析,得到磁路磁感应强度,并将所述磁路磁感应强度作为约束条件。其中,在有限元软件内对磁路进行APDL参数化建模。
本实施例中,根据如下方法确定结构参数:
获取初始结构参数;其中,所述初始结构参数包括线圈槽长度、阻尼间隙、倾斜角度、内径尺寸以及磁芯长度;
通过灵敏度分析,从初始结构参数中筛选出对车辆时域和频域性能影响较大的结构参数,并将所述结构参数作为优化变量。
所述有限元软件采用现有软件,如ANSYS、ABAQUS、Hypermesh等;使用动力学仿真软件进行仿真分析,所述动力学仿真软件采用现有软件,如:MATLAB/Simulink、Adams、Carsim等;
本实施例中,根据如下公式确定车身垂向运动:
其中,mb为车身质量,为车身质心处的垂向加速度,ks1为前轴左侧悬架弹簧的刚度系数,ks2为前轴右侧悬架弹簧的刚度系数,ks3为后轴左侧悬架弹簧的刚度系数,ks4为后轴右侧悬架弹簧的刚度系数;zb1为车身在前轴左侧悬架处的垂向位移,zb2为车身在前轴右侧悬架处的垂向位移,zb3为车身在后轴左侧悬架处的垂向位移,zb4为车身在后轴右侧悬架处的垂向位移;为车身在前轴左侧悬架处的垂向速度,为车身在前轴右侧悬架处的垂向速度,为车身在后轴左侧悬架处的垂向速度,为车身在后轴右侧悬架处的垂向速度;zw1为前轴左侧车轮的垂向位移,zw2为前轴右侧车轮的垂向位移,zw3为后轴左侧车轮的垂向位移,zw4为后轴右侧车轮的垂向位移;为前轴左侧车轮的垂向速度,为前轴右侧车轮的垂向速度,为后轴左侧车轮的垂向速度,为后轴右侧车轮的垂向速度;c1为前轴左侧悬架弹簧阻尼系数,c2为前轴右侧悬架弹簧阻尼系数,c3为后轴左侧悬架弹簧阻尼系数,c4为后轴右侧悬架弹簧阻尼系数,f1为前轴左侧磁流变阻尼器提供的阻尼器,f2为前轴右侧磁流变阻尼器提供的阻尼器,f3为后轴左侧磁流变阻尼器提供的阻尼器,f4为后轴右侧磁流变阻尼器提供的阻尼器;
根据如下公式确定车身侧倾运动:
根据如下公式确定车身俯仰运动:
根据如下公式确定前轴左侧车轮的垂向运动:
根据如下公式确定前轴右侧车轮的垂向运动:
根据如下公式确定后轴左侧车轮的垂向运动:
根据如下公式确定后轴右侧车轮的垂向运动:
为了能更好地理解本发明,对使用现有方法(优化设计前)与使用本发明(优化设计后)进行对比分析如下:
图2和图3分别为车辆在B级路面60km/h匀速行驶,优化前后时域图形和频域图形对比,可以看出,使用本发明进行优化设计后的磁流变阻尼器相比于初始的磁流变阻尼器,悬架动挠度、轮胎动载荷、车身垂向加速度在时域和频域范围内均得到不同程度的改善。
图4和图5分别为车辆在B级路面10km/h过减速带行驶,优化前后时域图形和频域图形对比,也可以看出,使用本发明进行优化设计后的磁流变阻尼器相比于初始的磁流变阻尼器,悬架动挠度、轮胎动载荷、车身垂向加速度在时域和频域范围内均得到不同程度的改善。
综合上述分析结果可知,在B级路面60Km/h匀速行驶工况和车辆10Km/h过减速带工况下,使用本发明进行优化设计的磁流变阻尼器的隔振性能与初始设计的磁流变阻尼器相比较,悬架动挠度、轮胎动载荷和车身垂向加速度都有一定的提高;车辆的平顺性和操稳性都得到了相应的改善,NVH性能得到明显提升。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,其特征在于:考虑结构设计和控制器之间的耦合,以磁路磁感应强度为约束条件,以结构参数为优化变量,以目标工况下车辆目标性能参数的加速度均方根值以及频域幅值最小为优化目标,构建整车动力学一体化优化模型;并使用整车动力学一体化优化模型对磁流变阻尼器进行优化设计,获得磁流变阻尼器的优化结构参数。
2.根据权利要求1所述的面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,其特征在于:所述整车动力学一体化优化模型包括7自由度的整车动力学模型;所述7自由度包括车身垂向运动、车身侧倾运动、车身俯仰运动以及4个车轮的垂向运动。
3.根据权利要求1所述的面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,其特征在于:设计模糊PID控制器,并使用模糊PID控制器对磁流变阻尼器的电流进行实时控制。
4.根据权利要求1所述的面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,其特征在于:对磁路进行参数化建模与仿真分析,并将得到的磁路磁感应强度作为约束条件。
5.根据权利要求1所述的面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,其特征在于:基于结构/控制一体化平台,筛选出结构参数,并将所述结构参数作为优化变量。
6.根据权利要求1所述的面向整车振动抑制的磁流变阻尼器一体化优化设计方法,其特征在于:选取表征平顺性和操稳性的评价指标,并将所述评价指标作为优化目标。
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