CN115422650A - 一种动力总成悬置系统辅助开发的方法及系统 - Google Patents

一种动力总成悬置系统辅助开发的方法及系统 Download PDF

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CN115422650A CN202210860393.8A CN202210860393A CN115422650A CN 115422650 A CN115422650 A CN 115422650A CN 202210860393 A CN202210860393 A CN 202210860393A CN 115422650 A CN115422650 A CN 115422650A
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suspension
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analysis
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范让林
邬全法
窦宇霏
马富亮
彭晓勇
徐春野
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University of Science and Technology Beijing USTB
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Anhui Eastar Automobile Parts Co ltd
University of Science and Technology Beijing USTB
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Abstract

本发明涉及一种动力总成悬置系统辅助开发的方法及系统，属于汽车NVH分析技术领域，能够从多方面对动力总成悬置系统进行分析，分析结果准确、可靠，为动力总成悬置系统的开发提供依据和指导；该方法包括：将动力总成悬置系统参数和液压悬置参数以特定模板导入；将悬置系统参数坐标转换为标准坐标系坐标；采用6自由度和13自由度两种模型对悬置系统参数动态分析，得到各阶模态及各方向的解耦率、不同初始条件下的瞬态响应数据及某一点加速度数据、各方向频率响应数据；对悬置系统参数进行29个工况的静态分析；根据液压悬置易测量的参数和信息计算液压悬置的不可测参数及动特性数据；参数优化，对悬置系统的刚度和安装角度进行优化。

Description

一种动力总成悬置系统辅助开发的方法及系统
技术领域
本发明涉及汽车NVH分析技术领域，尤其涉及一种动力总成悬置系统辅助开发的方法及系统。
背景技术
近年来，汽车技术发展迅猛，使得汽车的NVH性能受到广泛关注。传统的悬置开发流程需要反复调整、试验、再调整，耗时耗力，在各个厂家都极力追求高效，快速的今天显然是不适用的，因此，一种高效、易操作、适用范围广的动力总成悬置系统辅助开发的思路、方法是有必要的。
现在动力总成悬置系统振动分析中广泛使用的是六自由度(6-DOF)模型，六自由度模型中近似的认为车身质量无穷大，动力总成通过悬置连接在地面上，但随着汽车技术的发展，车身变得越来越轻量，这种近似接地导致的误差越来越大，因此模型需要向着更加接近实际的方向进行优化。
因此，有必要研究一种动力总成悬置系统辅助开发的方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种动力总成悬置系统辅助开发的方法及系统，能够从多方面对动力总成悬置系统进行分析，分析结果准确、可靠，为动力总成悬置系统的开发提供依据和指导。
一方面，本发明提供一种动力总成悬置系统辅助开发的方法，所述方法的内容包括：
数据输入：获取已知参数数据，并以特定模板导入，便于后续处理；所述参数数据包括动力总成悬置系统参数和液压悬置参数；所述液压悬置参数指可测量、易测量的液压悬置参数；
坐标转换：判断所述动力总成悬置系统参数是否属于标准坐标系的坐标参数，若否，将其坐标转换为标准坐标系坐标；
动态分析：对标准坐标系下的所述动力总成悬置系统参数进行动态分析；采用悬置系统接地的6自由度模型和/或整车13自由度模型进行动态分析；动态分析包括模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析；动态分析的结果包括：各阶模态及各方向的解耦率、不同初始条件下的瞬态响应数据及某一点的加速度数据、和各方向的频率响应数据；
静态分析：对标准坐标系下的所述动力总成悬置系统参数进行静态分析；静态分析的结果包括：不同刚度输入形式下的传统28工况动力总成悬置系统的分析结果以及自定义工况下动力总成悬置系统的分析结果；所述自定义工况通过改变作用力大小和作用方向实现调整；
液压悬置分析：根据所述液压悬置参数计算液压悬置的不可测参数，根据所述不可测参数和所述液压悬置参数计算液压悬置的动特性数据。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法在动态分析之前还包括：
调整优化：判断标准坐标系下的动力总成悬置系统参数是否满足解耦布置标准和优化标准，若不满足，则进行调整优化。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，液压悬置的所述不可测参数包括上液室体积刚度、等效活塞面积和局部损失系数。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述标准坐标系为动力总成质心坐标系；
采用坐标转换矩阵实现不同坐标系中坐标之间的转换。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，调整优化包括：
确定性优化，使优化后的系统固有频率和解耦率达到要求的范围；
和稳健性优化，使优化后的系统稳健性达到要求的范围；
所述确定性优化和所述稳健性优化均采用遗传算法实现，通过设置目标函数、设置优化后的上下限和限定优化次数，对悬置系统的刚度和安装角度进行优化。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述谐响应分析的内容包括：采用不同频率的激励信号作用在动力总成上，将激励信号的频率作为横轴变量，将动力总成在不同方向的振幅大小与激励信号的幅值大小之比作为纵轴变量，绘制振动频响曲线，用于反映动力总成悬置系统对激励频率的敏感范围。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在第i阶模态振动下自由度k的所述解耦率的计算方式为：
Figure BDA0003758145560000031
其中，
Figure BDA0003758145560000032
式中，mkl表示质量矩阵中第k行第l列元素，ωi为第i阶固有圆频率，
Figure BDA0003758145560000033
和
Figure BDA0003758145560000034
分别为第i阶固有圆频率对应的第i阶模态向量中k自由度和l自由度的值，ci是倍数值(模态向量在计算时进行了归一化，即同一阶模态向量中的各个元素同时除以一个数，使其中最大的元素变为1)，i为正整数。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述静态分析的内容包括：将29种工况的受力情况储存在一个6*1*29的三维矩阵中，计算静刚度值下的刚度矩阵，根据广义胡克定律，计算出系统各方向的位移；表达式如下：
F＝KX
式中，F表示动力总成的受力、K表示悬置刚度、X表示动力总成的位移，三者均为广义物理量。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述动力总成悬置系统参数包括悬置倾角；
所述悬置倾角的输入方式为欧拉角输入方式或坐标轴夹角输入方式；
欧拉角输入方式具体为：当悬置主刚度轴坐标系u、v、w轴分别与标准坐标系x、y、z轴方向相同的情况下输入欧拉角为(0,0,0)，当u轴与动力总成质心坐标系x轴方向相同且悬置三向主刚度轴坐标系仅绕u轴旋转一个角度sita时，输入欧拉角为(0,sita,0)；
坐标轴夹角输入方式具体为：分别输入悬置主刚度轴坐标系u、v、w轴与标准坐标系x、y、z轴的夹角；该输入方式的数据用于动态分析和静态分析。
另一方面，本发明提供一种动力总成悬置系统辅助开发的系统，所述系统包括：
数据输入模块：用于获取已知参数数据，并以特定模板导入，便于后续处理；所述参数数据包括动力总成悬置系统参数和液压悬置参数；
坐标转换模块：用于判断所述动力总成悬置系统参数是否属于标准坐标系的坐标参数，若否，将其坐标转换为标准坐标系坐标；
动态分析模块：用于对标准坐标系下的所述动力总成悬置系统参数进行动态分析；采用悬置系统接地的6自由度模型和/或整车13自由度模型进行动态分析；所述动态分析模块包括模态分析模块、谐响应分析模块和瞬态响应分析模块；所述动态分析模块的输出结果包括：各阶模态及各方向的解耦率、不同初始条件下的瞬态响应数据及某一点的加速度数据、和各方向的频率响应数据；
静态分析模块：用于对标准坐标系下的所述动力总成悬置系统参数进行静态分析；所述静态分析模块的输出结果包括：不同刚度输入形式下的传统28工况动力总成悬置系统的分析结果以及自定义工况下动力总成悬置系统的分析结果；所述自定义工况通过改变作用力大小和作用方向实现调整；
液压悬置分析模块：用于根据所述液压悬置参数计算液压悬置的不可测参数，根据所述不可测参数和所述液压悬置参数计算液压悬置的动特性数据。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明通过坐标转换能够使不同的坐标系都转换为标准坐标系，满足汽车开发时无法避免的多方合作的要求，使各合作方都可按自己最优的坐标系进行各自的开发工作，然后用本发明的方法进行转换实现进一步的辅助分析；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明对参数进行优化，既可以对参数中的悬置刚度值进行优化，又可以对悬置的安装角度进行优化，使得分析结果更加准确、可靠；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明的动态分析，既可以基于6自由度的模型，也可以基于13自由度的模型，以往多基于6自由度模型，由于13自由度模型很复杂，所以应用不多，但将其写入软件中，降低了其复杂程度，开发人员按要求填入参数即可，13自由度模型得到的分析结果更好；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明的静态分析，除了在通用28工况下进行静态分析，还可以自定义一个工况进行静态分析，增加了静态分析的分析维度，适用性更广，分析结果更准确；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明通过已知可测的液压悬置参数，得到其余的无法用实验直接测得的参数以及液压悬置的特性数据，实现对液压悬置的分析并用于实际开发工作的指导；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明采用欧拉角输入和坐标轴夹角输入两种方式实现对悬置倾角的输入，输入方式更加全面。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的动力总成悬置系统辅助开发方法的流程图；
图2是本发明一个实施例提供的整车模型以及坐标系示意图；
图3是本发明一个实施例提供的扭矩轴的三视图；
图4是本发明一个实施例提供的不平衡往复惯性力的谐响应曲线图；其中，(a)为位移幅值曲线图，(b)为角度幅值曲线图；
图5是本发明一个实施例提供的不平衡倾覆转矩的谐响应曲线图；其中，(a)为位移幅值曲线图，(b)为角度幅值曲线图；
图6是本发明一个实施例提供的初始条件不为0时采用6-DOF模型的瞬态分析结果图；其中，(a)为位移瞬态响应图，(b)为角度瞬态响应图；
图7是本发明一个实施例提供的动力总成在整车坐标系下各个方向的振动曲线图；其中，(a)未添加RY方向激励力，(b)添加了RY方向激励力；
图8是本发明一个实施例提供的车身测量点处的三向加速度曲线图；
图9是本发明一个实施例提供的三个悬置的各主轴刚度曲线图；其中，(a)、(b)、(c)分别为第一悬置、第二悬置、第三悬置在各主轴的刚度曲线图；
图10是本发明一个实施例提供的动特性参数曲线图；其中，(a)为动刚度曲线图，(b)为储能动刚度曲线图，(c)为耗能动刚度曲线图，(d)为滞后角曲线图，(e)等效粘性阻尼曲线图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术的不足，本发明提供一种动力总成悬置系统辅助开发的思路、方法，其流程图如图1所示。下面对各主要步骤的内容进行说明。
1、数据输入：
本发明的数据输入采用模板导入的方式，即将参数填到模板中，通过模板导入到辅助开发系统中进行处理和分析。这种方式相较于传统的输入方式便于一套参数多次使用，满足了动力总成悬置开发过程中往往需要反复试验、反复分析、反复优化和调整的需求，省去了重复输入参数的时间，也更便于管理。
2、坐标转换：
考虑到主机厂在做悬置系统开发时，通常是多个单位合作进行的，由于操作习惯、参考标准的不同，许多重要的参数在测量(或选取)时所遵循的标准是不同的，需要对这些参数进行快速且准确的转换。参数的转换可分为以下六种：
第一种，已有的惯量参数和所需的惯量参数的参考坐标系不同，将已有坐标系下的惯量参数转换为所需坐标系下的惯量参数；
第二种，已有的惯量参数和所需的惯量参数的参考坐标系方向相同，但它们的原点位置不同，将已有坐标系原点下的惯量参数转换为所需坐标系原点下的惯量参数；
第三种，一个系统由多个子系统组成，已知两个子系统的质心位置和惯量参数，将合成后系统的质心位置和惯量参数计算出来；
第四种，一个系统由多个子系统组成，已知整个系统和一个子系统的质心位置和惯量参数，将剩余一个子系统的质心位置和惯量参数计算出来；
第五种，已有的悬置位置坐标和所需的悬置位置坐标的参考坐标系不同，将不同坐标系下的坐标值进行转换；
第六种，若已有的所有参数均是以整车坐标系为参考，则可将所有参数一同转换为以动力总成质心坐标系为参考坐标系的参数。
基于不同坐标系的坐标位置可通过坐标转换矩阵进行转换，如下示例为第一坐标系和第二坐标系间位置参数的坐标转换矩阵(将第一坐标系下的参数转换为第二坐标系下的参数，第一和第二无特殊意义，只是随意选取的两个坐标系)：
Figure BDA0003758145560000061
其中cos(α1x),cos(α1y),cos(α1z)分别表示第二坐标系的x轴与第一坐标系x、y、z轴的夹角，第二坐标系其他轴的夹角以此类推，即cos(β1x),cos(β1y),cos(β1z)分别表示第二坐标系的y轴与第一坐标系x、y、z轴的夹角，cos(γ1x),cos(γ1y),cos(γ1z)分别表示第二坐标系的z轴与第一坐标系x、y、z轴的夹角。第二坐标系下的位置参数可由下式计算得出：
X2＝A12X1，式中，X1表示第一坐标系，X2表示第二坐标系。
基于不同坐标系的惯量参数转换除了需要坐标转换矩阵，还需要惯性张量矩阵，下式表示基于第一坐标系的惯性张量矩阵：
Figure BDA0003758145560000071
式中，x、y、z指第一坐标系的x、y、z方向，其中Jxx1、Jyy1、Jzz1分别表示x、y、z方向的转动惯量，Jxy1、Jyx1、Jyz1、Jzy1、Jxz1、Jzx1分别表示各方向的惯性积。
基于第二坐标系的动力总成惯量参数可由下式求得：
J2＝A12'J1A12
其中，A12＇为A12的转置。
3、解耦布置：
确定好标准坐标系下的参数后，通过解耦布置校核对悬置系统的几何参数进行检验。解耦布置校核包括撞击中心校核和V形悬置校核，前者可检验当前悬置系统的参数下前后两悬置是否满足互为撞击中心，后者可检验当前悬置系统的参数下是否满足V形悬置布置规则。当不满足时，根据计算结果，可对参数进行调整。
4、优化：
当设计者对悬置系统性能的某些方面有具体要求时(如对动力总成各自由度方向的固有频率有要求)，可对悬置系统的刚度和安装角度进行优化(也可只对刚度进行优化)，从而获得满足性能要求的悬置系统参数，包括确定性优化和稳健性优化，优化过程均运用到了MATLAB中的遗传算法(GA算法)，通过设置目标函数、设置优化后的上下限和限定优化次数，对悬置系统的刚度和安装角度进行优化。确定性优化的目标是使优化后的系统固有频率和解耦率达到要求的范围内，稳健性优化的目标除了使优化后的系统固有频率和解耦率达到要求的范围内，还要使优化后的系统稳健性达到要求的范围内。稳健性的计算方法为随机生成一组统计意义上满足要求的刚度值(模拟真实生产中悬置刚度存在的误差，如存在5％或10％的偏差)，用这多组刚度值进行动态分析，依据结果中满足性能要求的结果的比例来评价稳健性。
5、动态分析：
为了减小采用悬置系统接地的6-DOF模型进行分析时的误差，本发明引入了13-DOF整车模型，这13个自由度包括动力总成的6个自由度(空间6自由度)、车身的3个自由度(垂向、侧倾、俯仰)和4个车轮的垂向自由度，相应地引入了整车坐标系，原点位于前轴中心或其他自定义的位置，x轴指向车辆正后方，y轴指向车辆正右方，z轴指向车辆正上方，方便在13-DOF模型的基础上进行分析计算，如图2所示。
在对动力总成悬置系统进行动态分析时，既可使用悬置系统接地的6-DOF模型进行简略的动态分析，也可以在获取更多参数的条件下，使用13-DOF整车模型来进行更为精确的动态分析。动态分析是评价悬置性能重要的一步，主要包括模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析三种。
模态分析模块可以计算出6-DOF模型/13-DOF模型各方向的固有频率、解耦率等信息，需要指出的是，此模块的输出内容既包含标准坐标系下计算的结果，也包含坐标系转换前的计算结果，在输出内容上以文字标识区分。根据悬置系统参数，可以列出动力总成的振动微分方程(根据采用的模型不同，如采用悬置系统接地的6-DOF模型，则列出6个微分方程，如采用整车13-DOF模型，则列出13个微分方程)，振动方程的系数写为矩阵形式：
Figure BDA0003758145560000081
其中，M为质量矩阵，K为刚度矩阵，
Figure BDA0003758145560000082
为广义加速度向量，q为广义位移向量。
M1K这个矩阵的特征值是动力总成系统的固有圆频率，其除以2π即得到固有频率，而相应的特征向量是固有振型。
在振动频率是某一阶固有频率时，系统发生共振，但每个自由度上振动的剧烈程度不同，需要用解耦率来表示各个方向上振动的剧烈程度，此处我们使用基于系统内力做工的振动解耦评价方法来计算各个方向上的解耦率。
记系统的固有圆频率为ωi，相应振型为
Figure BDA0003758145560000083
当系统发生第i阶模态振动时，其广义位移可以表达为：
Figure BDA0003758145560000091
广义惯性力向量为：
Figure BDA0003758145560000092
广义惯性力在广义位移上所做总功的最大值为：
Figure BDA0003758145560000093
式中mkl表示质量矩阵中第k行，第l列元素，行和自由度对应；
广义惯性力在自由度k上所做的功为：
Figure BDA0003758145560000094
在第i阶模态振动下，自由度k的解耦率为：
Figure BDA0003758145560000095
由此计算得到解耦率。
现有技术中将13自由度模型应用在动态分析中的情况很少，原因在于：采用13自由度模型的计算过程非常复杂，理论资料非常欠缺且不够规范，偶尔使用所分析得到的结果也往往只是个别方面(如固有频率、刚度矩阵等等)；而本申请对采用13自由度模型进行动态分析的方法进行了系统研究，并借助于计算机实现，既对13自由度动态分析所需的各个参数的参考坐标系进行了规范，不直接满足要求的参数可通过坐标转换得到满足要求的值，使分析人员可以将精力集中于分析本身；又对众多分析结果进行了分类整理，将质量矩阵、刚度矩阵、固有频率及对应方向、主振型及对应方向、解耦率及对应方向、振动曲线等结果分类展示，方便使用者读取和拷贝；还可以在13自由度瞬态分析(动态分析中的一种)时将测得的振动信号写入excel中，并用作瞬态分析的激励信号，符合工程实际需要。
谐响应分析可以获取动力总成系统各自由度方向的频率响应特性，实质是产生不同频率的正弦波激励信号，模拟发动机不平衡往复惯性力作用在动力总成上的效果，不同频率的激励作用下动力总成的振动幅值大小是不同的，将此时激励的频率作为横轴变量，将不同方向的幅值大小与输入激励的幅值大小之比作为纵轴变量，可画出振动频响曲线，反映出动力总成悬置系统对激励频率的敏感范围。
瞬态分析，需要设置系统运动的初始条件，包括各自由度方向的初始位移和初始速度，若在系统振动的过程中，有其余外加的激励力，也可进行设置，方法是将激励力的数据(共两列，一列时间，一列激励值)导入excel中供求解程序调用。进行瞬态分析的理论基础也是多自由度的运动微分方程组，需要注意的是，此处不同于求解系统固有频率，需要考虑阻尼的影响，表达式(即关于广义位移向量的微分方程式)如下：
Figure BDA0003758145560000101
式中，M、C、K分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，由列写的拉格朗日方程获取；q、
Figure BDA0003758145560000102
分别为广义位移向量、广义速度向量和广义加速度向量，其中的元素分别代表各个自由度方向的位移、速度和加速度；Q矩阵是广义激励力向量，其中元素表示各个自由度方向受到的外力，对于没有受到外力的方向，Q中对应元素取为0即可，对于受到外力的方向，需将Q向量中对应元素写为时域表达式形式或通过excel导入外力的时域曲线。
并将运动微分方程依次写为状态空间模型的形式，利用ode45求解器求解微分方程，求解时的初始值即为系统运动的初始条件(初始位移和初始速度)，外加激励力通过读取excel中的值并进行插值，添加在Q矩阵中，即可求得初始条件确定，外加激励确定时，系统各自由度方向的振动情况。由于求解时方程已经写成了状态空间方程的形式，因此通过ode45求解器求得的结果中既包含各个方向运动的位移，也包括各个方向运动的速度，对求解出的速度进行求导，可以得到各个方向的加速度值，确定一个点的位置后，即可通过几何关系转换为一个点的三向加速度值，此步骤可以用来计算座椅导轨处的加速度时域曲线，来对座椅的振动情况作出分析。
根据上述的关于广义位移向量的微分方程，在方程中的各阶系数都确定后，使用MATLAB中自带的ode45求解器求解，可得到各个自由度方向的位移曲线、速度曲线和加速度曲线(注：ode45求解器可直接输出计算结果)，再通过以下公式，即可得到某一点的三向加速度曲线。
Figure BDA0003758145560000103
式中，Ax、Ay、Az分别表示待求点的三向加速度，Δx、Δy、Δz分别表示待求点的x、y、z坐标相对于车身质心的x、y、z坐标的相对值，Abz为车身质心处的z方向加速度值，Abα为车身质心处的α方向加速度值，Abβ车身质心处的β方向加速度值。
6、静态分析：
为了确保动力总成以及各悬置在不同工况下都能保持在一定的位移范围(形变范围)和受力范围内，需要进行静态分析，除了标准的通用28工况，增加了自定义工况进行静态分析，自定义工况的调整是通过改变作用力的大小和作用方向实现的，将29种工况的受力情况储存在一个6*1*29的三维矩阵中，计算静刚度值下的刚度矩阵，根据广义胡克定律，即可计算出系统各方向的位移，表达式如下：
F＝KX
式中的动力总成受力、悬置刚度、动力总成位移等物理量均为广义物理量。
分析时需要输入的悬置刚度可以通过三种不同的方式，线性刚度(即刚度为一个定值)，五段线性拟合(通过输入“力-形变”图上六个点处的形变和力，近似构造一个刚度曲线)，五次多项式拟合(输入一个五次的刚度曲线表达式)，这三种输入方式分别对应着悬置开发的不同阶段，各有用途。选定一种输入方式，计算后，可以得到动力总成的位移，各悬置的形变、受力等一系列信息，方便设计人员对发动机舱的布局以及悬置的设计性能进行校核。
7、液压悬置分析：
根据输入的液压悬置已知参数，计算出液压悬置的体积刚度、等效活塞面积、局部损失系数等无法测量得到的重要参数；然后在根据计算出的重要参数计算液压悬置的动特性并画出曲线图。
对于惯性通道式液压悬置(第一代液压悬置)、惯性通道-解耦膜式液压悬置(第二代液压悬置)以及基于液压悬置设计的主动悬置，可通过试验和理论推导相结合的方式识别出其全部的内部参数(通过试验获取其中一部分参数后计算出其余参数)，包括上液室体积刚度、等效活塞面积、局部损失系数等难以直接测量却对悬置的动特性有巨大影响的参数，所有参数确定后可计算动特性并画出动特性曲线。
上液室体积刚度由以下公式计算：
Figure BDA0003758145560000111
其中，Ku1为上液室体积刚度，ρ为液体密度，l为悬置惯性通道长度，fp为实验曲线上交点(即不动点)的频率值，Af为惯性通道断面面积。
等效活塞面积由以下公式计算：
Figure BDA0003758145560000121
其中，Ap1为等效活塞面积，Kinf为高频储能动刚度，Kr为橡胶主簧储能动刚度，Ku1为上液室体积刚度。
局部损失系数由以下公式计算：
Sd＝Sd1+Sd2+Sd3
其中，Sd为总的局部损失系数，Sd1为局部收缩系数，Sd2为局部扩张系数，Sd3为弯管损失系数。
Figure BDA0003758145560000122
其中，Cv为收缩系数，Cc为流速系数，Af为惯性通道断面面积，A1为下液室顶部断面面积，di为水力直径，R为弯管轴心线的曲率半径，θ为弯管的方向变化角。
8、数据交换：
数据交换包括分析报告输出和数据库存储以及获取。
分析报告输出：每次分析计算完成后，使用MATLAB生成文本文档txt格式的分析结果，使用python中的docx库实现将分析结果生成docx格式的word文档，使用python中的pptx库实现将分析结果生成pptx格式的ppt演示文稿。
数据库存储以及获取：调用python中os、shutil、xlutils等库可将生成的文件保存在电脑磁盘的指定位置。该分析数据包括但不限于车辆信息、悬置信息、实验数据以及曲线图等内容。
从模板导入数据进行分析适用于仅使用一台计算机进行分析的情况，若多组开发人员同时使用多台计算机进行分析，可通过登录数据库，采用数据库中的参数进行分析(数据库中的内容存储在作为服务器的计算机内，在其他计算机上可进行“在线操作”获取数据库中存储的内容)。
实施例1：
悬置系统的开发过程十分复杂，如果单纯依靠经验设计，根据经验确定悬置的安装位置、角度和刚度，往往需要在设计和验证的环节中多次重复，费时费力；如果直接使用多体动力学仿真软件对动力总成悬置系统进行仿真分析，则前期需要收集和准备的数据过多，且更改参数较为复杂，不具有快速性和便捷性。因此，根据动力总成悬置系统的相关理论知识，并借助计算机的强大计算能力，可以方便且快捷的计算出动力总成悬置系统的许多重要特性。
获取一套动力总成悬置系统的参数，可以是标准坐标系下的参数，即动力总成质心坐标系下的参数，由于以往对悬置系统进行分析多采用悬置接地的6-DOF模型，使用基于动力总成质心坐标系的参数不需考虑动力总成的布置形式，更加方便。但本发明引入了更为精确，且可以通过分析得到更多信息的13-DOF模型，由于需要动力总成和车身之间的相关信息(如相对位置)，此时必须考虑动力总成的布置形式，为了方便分析结果的输出，引入了整车坐标系，相应的输出也会在整车坐标系下进行(在进行部分分析时，如模态分析，为了方便也会输出动力总成质心坐标系下的分析结果)。两种坐标系下的参数可以通过几何关系和力学关系(坐标转换矩阵、移轴公式、转动惯量合成/分解公式)进行转换，输入一种即可。
一个悬置在开发的过程中往往会经历多个程序，这需要不同部门甚至不同公司间进行合作，不同单位和个人在进行设计和试验时往往由于习惯或者参考的标准不同，导致不同类型的参数的定义形式不同(主要是参考的坐标系不同)，通过坐标转换矩阵、移轴公式、转动惯量合成/分解公式等数学方法，可以实现参数的转换。
由于并不是所有分析都需要采用13-DOF整车模型，因此，在进行分析时，对于动力总成悬置系统所涉及到的参数(即6-DOF模型所需参数)仍采用基于动力总成质心坐标系(标准坐标系)下的参数，包括动力总成的质量、惯量参数，悬置的安装位置、安装角度、三向主轴刚度等，而对于车身、悬架和车轮的相应参数(即13-DOF模型相较于6-DOF模型增加的参数)，采用基于整车坐标系下的参数。若开发人员手中的参数全部为基于整车坐标系下的参数，则其中动力总成悬置系统的参数需转换为基于动力总成质心坐标系(标准坐标系)的参数，以下为一组基于整车坐标系的全部参数。
动力总成、车身、车轮的参数依次如表1中的三个子表所示。
表1
Figure BDA0003758145560000141
3个悬置的参数如下面的表2中三个子表所示。
表2
Figure BDA0003758145560000142
悬架、轮胎的参数依次如表3的两个子表所示。
表3
Figure BDA0003758145560000143
将上述参数整体转换为基于动力总成质心坐标系的参数。转换后的结果如下：
转换后动力总成、车身、车轮的参数依次如表4的三个子表所示。
表4
Figure BDA0003758145560000151
转换后三个悬置的参数如表5的三个子表所示。
表5
Figure BDA0003758145560000152
转换后悬架、轮胎的参数依次如表6的两个子表所示。
表6
Figure BDA0003758145560000153
以下均采用转换后的参数进行示例的后续计算。
输入悬置系统信息时，尤其需要注意悬置倾角的输入，以往多采用“旋转角度”的方法进行输入，即悬置绕某一坐标轴旋转一个角度，这种方法虽简单，但在悬置安装倾角较复杂时不适用，因此，我们引入了两种更为全面的输入方式，相同之处在于使用前均需自行定义悬置的三个主刚度轴，u、v、w轴，尽量使与参考坐标系x轴(动力总成质心坐标系/整车坐标系，取决于其余参数所参考的坐标系是哪一个坐标系)同向的主刚度方向为u轴，以下基于动力总成质心坐标系(标准坐标系)给出示例，若基于整车坐标系进行输入，只需将动总质心坐标系的x、y、z轴替换为整车坐标系的x、y、z轴。
第一种方式为欧拉角输入方式，当u、v、w轴分别与x、y、z轴方向相同的情况下输入欧拉角为(0,0,0)即可，当u轴与动力总成质心坐标系x轴方向相同且悬置三向主刚度轴坐标系仅绕u轴旋转一个角度sita时，输入欧拉角为(0,sita,0)，欧拉角的输入方式可以满足大多数情况使用；第二种为坐标轴夹角输入方式，即分别输入u、v、w轴与动力总成质心坐标系x、y、z轴的夹角，即一个悬置主刚度轴坐标系需要输入9个角度值，这种输入方式仅在悬置坐标系和动力总成质心坐标系的角度关系十分复杂时使用，且仅可用于动态分析和静态分析，对于解耦布置校核和系统优化不适用。
动力总成坐标系(包括动力总成质心坐标系和动力总成整车坐标系，这里统称为动力总成坐标系)为x、y、z轴，悬置坐标系为u，v，w轴，分别表示悬置的三个主刚度方向。原有悬置倾角输入方式只能表示悬置坐标系和动力总成坐标系之间存在的二维的角度关系，即悬置坐标系的u，v，w轴在初始时刻与动力总成坐标系的x、y、z轴方向对应相同，后续时刻悬置坐标系仅绕u轴旋转了一个角度。而新的输入方式可以表示悬置坐标系和动力总成坐标系之间存在的三维的角度关系。欧拉角输入方式从“过程”的角度描述这种角度关系，即悬置坐标系的u，v，w轴在初始时刻与动力总成坐标系的x、y、z轴方向对应相同，第一次旋转为绕w轴旋转整个悬置坐标系，第二次旋转为绕u轴旋转整个悬置坐标系，第三次旋转为再一次绕w轴旋转整个悬置坐标系，输入内容为这三次旋转的角度(分别名为进动角、章动角、自转角)；坐标轴夹角输入方式从“结果”的角度描述这种角度关系，依次输入u、v、w与x轴的夹角值，u、v、w与y轴的夹角值，u、v、w与z轴的夹角值。通过以上两种输入方式，可以表示动力总成坐标系和悬置坐标系之间的任意角度关系。
通过对悬置系统前后两个悬置位置参数的计算，可以判断两个悬置是否互为撞击中心，如果是同一侧的两个悬置，或者选择了同一个，此时已无需进行撞击中心的校核，通过对比悬置的位置坐标即可提前做出判断。经过分析计算，悬置1和2之间，悬置1和3之间均不满足撞击中心的布置位置要求(其中1为前侧悬置，2和3均为后侧悬置)，若需要满足撞击中心理论，需对参数进行调整。
撞击中心判断内容包括：
首先判断所选悬置是否为同一个悬置(根据序号即可判断)，然后判断所选悬置是否为同一侧的两个悬置(根据所选悬置的x方向坐标是否同号即可判断，若同号，则为同一侧的悬置，若异号，则为不同侧的悬置)，对于不同侧的悬置，进行是否满足撞击中心理论的判断，判断公式如下：
Jyy/m＝Lf·Lr
当这个等式满足时，符合撞击中心理论。其中Jyy为动力总成y方向的转动惯量，m为动力总成的质量，Lf为前悬置的x方向坐标绝对值，Lr为后悬置的x方向坐标绝对值。
满足V形悬置布局的两个悬置位置左右对称，倾角相反，且其中一对主刚度轴的交点恰好处在动力总成的x轴上(动力总成质心坐标系)，这样布置可以最大程度提高解耦率(降低各个自由度方向振动的耦合)，方便隔振设计。经过分析计算，当前悬置的布置状态不满足V形悬置布置要求，若要满足V形悬置理论，需对参数进行调整。
将扭矩轴与悬置坐标位置一同画在三视图上，可以直观的看出它们的位置关系，当前参数下，扭矩轴的三视图如图3所示。
系统优化可以只针对刚度值进行优化，也可以同时对刚度值和安装倾角进行优化，优化的原理类似，均采用遗传算法进行优化。选择不同的优化方法时所遵循的目标函数不同，确定性优化时，优化的目标是使各方向的固有频率和解耦率尽可能满足要求；稳健性优化的目标则是使各方向固有频率和解耦率满足要求的情况下，稳健性也尽可能满足用户的要求。在进行优化的同时，计算优化后的参数下的系统稳健性，计算的方法为随机生成一组统计意义上满足要求的刚度值(模拟真实生产中悬置刚度存在的误差，如存在5％或10％的偏差)，用这多组刚度值进行动态分析，依据结果中满足性能要求的结果的比例来评价系统稳健性。初始刚度值和角度值为上述的输入参数，优化后的刚度值和角度值如下。
其中，三个悬置经确定性优化后的结果如表7的三个子表所示。
表7
Figure BDA0003758145560000181
三个悬置经稳健性优化后的结果如表8的三个子表所示。
表8
Figure BDA0003758145560000182
在对动力总成悬置系统进行动态分析时，既可使用悬置系统接地的6-DOF模型进行简略的动态分析，也可以在获取更多参数的条件下，使用13-DOF整车模型来进行更为精确的动态分析。动态分析是评价悬置性能重要的一步，主要包括模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析三种。
模态分析。根据悬置系统参数，可以列出动力总成的振动微分方程(根据采用的模型不同，如采用悬置系统接地的6-DOF模型，则列出6个微分方程，如采用整车13-DOF模型，则列出13个微分方程)，再通过求取相应矩阵的特征值和特征向量，即可得到如下结果：
采用6-DOF模型(基于动力总成质心坐标系)：
Figure BDA0003758145560000191
采用6-DOF模型(基于整车坐标系)：
Figure BDA0003758145560000192
采用13-DOF模型：
Figure BDA0003758145560000193
谐响应分析。实质是产生不同频率的正弦波激励信号，模拟发动机不平衡往复惯性力(或不平衡倾覆转矩)作用在动力总成上的效果，不同频率的激励作用下动力总成的振动幅值大小是不同的。谐响应曲线，反映出动力总成悬置系统对激励频率的敏感范围，计算结果如下：
对于不平衡往复惯性力的谐响应曲线如图4所示。从图中可以得到各个方向振动较为明显的频率段，从而在设计悬置系统时避开这些频率范围。
对于不平衡倾覆转矩的谐响应曲线如图5所示。从图中可以得到各个方向振动较为明显的频率段，从而在设计悬置系统时避开这些频率范围。
瞬态分析，可以获取在某些特定的初始条件下，或外界存在激励的情况下，系统各个自由度方向的振动情况，还可以进一步求出开发人员指定的校核点的三向加速度值。以下是分析的结果。
采用6-DOF模型，其中初始条件不为0(初始位移和初始速度)，的瞬态分析结果如图6所示，从图中可以看到动力总成各方向位移的时域曲线(自由振动)。
采用13-DOF模型，其中初始条件为0(初始位移和初始速度)但添加了RY方向的激励力，的瞬态分析结果如图7所示，从图中可以看到各方向位移的时域曲线(受迫振动)。
指定的车身测量点处的x、y、z三向加速度值曲线如图8所示。
静态分析的工况除了有行业内常用的通用28工况，还设置了第29工况-自定义工况，自定义工况的调整是通过改变作用力的大小和作用方向实现的，此处示例中设定第29工况为动力总成受垂直向下的力，力的大小为2132.7N。
计算时，刚度的输入方式有三种，第一种，刚度按一个定值输入，这个值即为上述参数中的悬置静刚度值(线性刚度)；第二种是在刚度曲线中选取6个点来近似表示悬置刚度的非线性(五段线性拟合刚度)；第三种是通过五次多项式的形式来表示悬置刚度的非线性(五次多项式拟合刚度)，各悬置u、v、w轴三个方向的力-位移曲线(刚度曲线)如图9所示。
静态分析的结果如下，此处展示的为动力总成在各工况下的绝对位移大小。其中
线性刚度时：
Figure BDA0003758145560000201
Figure BDA0003758145560000211
五段线性拟合刚度时：
Figure BDA0003758145560000212
五次多项式拟合刚度时：
Figure BDA0003758145560000213
Figure BDA0003758145560000221
对于惯性通道式液压悬置(第一代液压悬置)、惯性通道-解耦膜式液压悬置(第二代液压悬置)、以及基于液压悬置产生的主动悬置，可通过试验和理论推导相结合的方式识别出其全部的内部参数。操作人员需要准备至少两个特性接近的液压悬置，将其中一个悬置拆开，直接测量液体密度、惯性通道长度、惯性通道横截面积等参数；将液压悬置的液体放掉后，进行无液状态的被动特性，通过实验曲线获取橡胶主簧储能动刚度、橡胶主簧阻尼等参数；用另一个完好的悬置进行充液状态的被动特性(动刚度)测量，即可获取不动点、峰值和水平段的值，进而计算出剩余参数，作出动特性曲线，图10的动特性曲线为一个示例。
以上操作的各个步骤的分析结果，用户可将其保存为txt/docx/pptx等格式，如下示例所示为txt格式和docx格式。
txt格式：
Figure BDA0003758145560000222
docx格式：
■1.悬置系统输入信息
■1.1.动力总成质量(单位：kg)、惯量(单位：kg*m^2)和质心在整车坐标系下的坐标(单位：mm)
m xpo ypo zpo
217.467 -222.965 -12.4953 182.3
Jxx Jyy Jzz Jxy Jyz Jzx
7.994915 15.873192 13.85684 0.471089 0.271139 1.676056
■1.2.悬置弹性中心在整车坐标系下的坐标(单位：mm)、欧拉角(单位：deg)
x y z 进动角 章动角 自转角
Q1 546.7 -184.31 36.51 0.0 0.0 0.0
Q12 -367.2 -361.64 -7.36 0.0 0.0 0.0
Q3 -70.4 68.94 -274.09 0.0 0.0 0.0
Q4 2.8 -512.28 -424.48 0.0 0.0 0.0
Q5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Q6 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Q7 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Q8 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
■1.3.悬置弹性中心在整车坐标系下的夹角(单位：deg)
αu αv αw βu βv βw γu γv γw
Q1 0.0 90.0 90.0 90.0 0.0 90.0 90.0 90.0 0.0
Q2 0.0 90.0 90.0 90.0 0.0 90.0 90.0 90.0 0.0
Q3 0.0 90.0 90.0 90.0 0.0 90.0 90.0 90.0 0.0
Q4 0.0 90.0 90.0 90.0 0.0 90.0 90.0 90.0 0.0
Q5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Q6 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Q7 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Q8 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
■1.4.悬置主轴方向静刚度(单位：N/mm)和动刚度(单位：N/mm)
kus kvs kws kud kvd kwd
Q1 100.0 100.0 100.0 98.58 155.34 184.52
以上对本申请实施例所提供的一种动力总成悬置系统辅助开发的方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种动力总成悬置系统辅助开发的方法，其特征在于，所述方法的内容包括：
数据输入：获取已知参数数据，并以特定模板导入，便于后续处理；所述参数数据包括动力总成悬置系统参数和液压悬置参数；
针对所述动力总成悬置系统参数的分析内容包括：
坐标转换：判断所述动力总成悬置系统参数是否属于标准坐标系的坐标参数，若否，将其坐标转换为标准坐标系坐标；
动态分析：对标准坐标系下的所述动力总成悬置系统参数进行动态分析；采用悬置系统接地的6自由度模型和/或整车13自由度模型进行动态分析；动态分析包括模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析；动态分析的结果包括：各阶模态及各方向的解耦率、不同初始条件下的瞬态响应数据及某一点的加速度数据、和各方向的频率响应数据；
静态分析：对标准坐标系下的所述动力总成悬置系统参数进行静态分析；静态分析的结果包括：不同刚度输入形式下的传统28工况动力总成悬置系统的分析结果以及自定义工况下动力总成悬置系统的分析结果；所述自定义工况通过改变作用力大小和作用方向实现调整；
针对所述液压悬置参数的分析内容包括：
液压悬置分析：根据所述液压悬置参数计算液压悬置的不可测参数，根据所述不可测参数和所述液压悬置参数计算液压悬置的动特性数据。
2.根据权利要求1所述的动力总成悬置系统辅助开发的方法，其特征在于，所述方法在动态分析之前还包括：
调整优化：判断标准坐标系下的动力总成悬置系统参数是否满足解耦布置标准和优化标准，若不满足，则进行调整优化。
3.根据权利要求1所述的动力总成悬置系统辅助开发的方法，其特征在于，液压悬置的所述不可测参数包括上液室体积刚度、等效活塞面积和局部损失系数。
4.根据权利要求1所述的动力总成悬置系统辅助开发的方法，其特征在于，所述标准坐标系为动力总成质心坐标系；
采用坐标转换矩阵实现不同坐标系中坐标之间的转换。
5.根据权利要求2所述的动力总成悬置系统辅助开发的方法，其特征在于，调整优化包括：
确定性优化，使优化后的系统固有频率和解耦率达到要求的范围；
和稳健性优化，使优化后的系统稳健性达到要求的范围；
所述确定性优化和所述稳健性优化均采用遗传算法实现，通过设置目标函数、设置优化后的上下限和限定优化次数，对悬置系统的刚度和安装角度进行优化。
6.根据权利要求1所述的动力总成悬置系统辅助开发的方法，其特征在于，所述谐响应分析的内容包括：采用不同频率的激励信号作用在动力总成上，将激励信号的频率作为横轴变量，将动力总成在不同方向的振幅大小与激励信号的幅值大小之比作为纵轴变量，绘制振动频响曲线，用于反映动力总成悬置系统对激励频率的敏感范围。
7.根据权利要求1所述的动力总成悬置系统辅助开发的方法，其特征在于，在第i阶模态振动下自由度k的所述解耦率的计算方式为：
Figure FDA0003758145550000021
其中，
Figure FDA0003758145550000022
式中，mkl表示质量矩阵中的元素，ωi为第i阶固有圆频率，
Figure FDA0003758145550000023
和
Figure FDA0003758145550000024
分别为第i阶固有圆频率对应的第i阶模态向量中k自由度和l自由度的值，ci是倍数值，i为正整数。
8.根据权利要求1所述的动力总成悬置系统辅助开发的方法，其特征在于，所述静态分析的内容包括：将29种工况的受力情况储存在一个6*1*29的三维矩阵中，计算静刚度值下的刚度矩阵，根据广义胡克定律，计算出系统各方向的位移；表达式如下：
F＝KX
式中，F表示动力总成的受力、K表示悬置刚度、X表示动力总成的位移，三者均为广义物理量。
9.根据权利要求1所述的动力总成悬置系统辅助开发的方法，其特征在于，所述动力总成悬置系统参数包括悬置倾角；
所述悬置倾角的输入方式为欧拉角输入方式或坐标轴夹角输入方式；
欧拉角输入方式具体为：当悬置主刚度轴坐标系u、v、w轴分别与标准坐标系x、y、z轴方向相同的情况下输入欧拉角为(0,0,0)，当u轴与动力总成质心坐标系x轴方向相同且悬置三向主刚度轴坐标系仅绕u轴旋转一个角度sita时，输入欧拉角为(0,sita,0)；
坐标轴夹角输入方式具体为：分别输入悬置主刚度轴坐标系u、v、w轴与标准坐标系x、y、z轴的夹角；该输入方式的数据用于动态分析和静态分析。
10.一种动力总成悬置系统辅助开发的系统，其特征在于，所述系统包括：
数据输入模块：用于获取已知参数数据，并以特定模板导入，便于后续处理；所述参数数据包括动力总成悬置系统参数和液压悬置参数；
坐标转换模块：用于判断所述动力总成悬置系统参数是否属于标准坐标系的坐标参数，若否，将其坐标转换为标准坐标系坐标；
动态分析模块：用于对标准坐标系下的所述动力总成悬置系统参数进行动态分析；采用悬置系统接地的6自由度模型和/或整车13自由度模型进行动态分析；所述动态分析模块包括模态分析模块、谐响应分析模块和瞬态响应分析模块；所述动态分析模块的输出结果包括：各阶模态及各方向的解耦率、不同初始条件下的瞬态响应数据及某一点的加速度数据、和各方向的频率响应数据；
静态分析模块：用于对标准坐标系下的所述动力总成悬置系统参数进行静态分析；所述静态分析模块的输出结果包括：不同刚度输入形式下的传统28工况动力总成悬置系统的分析结果以及自定义工况下动力总成悬置系统的分析结果；所述自定义工况通过改变作用力大小和作用方向实现调整；
液压悬置分析模块：用于根据所述液压悬置参数计算液压悬置的不可测参数，根据所述不可测参数和所述液压悬置参数计算液压悬置的动特性数据。
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