CN117408092B - 一种商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法及系统，包括针对商用车结构特点，建立动力总成悬置系统的19自由度动力学模型；推导、组装19自由度动力学方程以及输出质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；求解固有频率、振型、能量解耦率以及预设工况下的隔振率；确立优化目标、优化变量和约束条件；开展DOE试验设计，为参数灵敏度分析提供所需数据库；开展参数灵敏度分析，确定对系统性能影响较大的关键参数；基于质量设计方法构建商用车动力总成悬置系统稳健优化模型，应用多目标优化算法求解，输出稳健优化设计方案；本发明提高了设计方案的可靠性，有效缩短开发周期和降低开发成本。
Description
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法及系统。
背景技术
对商用车来说，动力总成悬置系统主要起着支撑动力总成、衰减发动机振动向车架和驾驶室传递以及降低发动机自身振动等作用，直接影响着整车NVH（是指噪声，振动和声振粗糙度）水平、驾驶员的驾乘体验以及零部件的使用寿命。因此，对动力总成悬置系统进行优化设计，实现动力总成悬置系统参数的合理匹配对提升商用车产品的品质性能和市场竞争力意义重大。
传统的商用车动力总成悬置系统优化设计一般基于空间6自由度动力学模型，忽略了车架质量、悬架刚度、轮胎刚度等因素的影响，且不能用于悬置隔振率的计算，或基于常用于乘用车分析的13自由度动力学模型，忽略了驾驶室与车架间的耦合效应，导致隔振率仿真与整车试验结果偏差较大。因此，建立包括动力总成、车架、驾驶室、悬架及车桥在内的动力总成悬置系统动力学模型，详细考虑各部件之间的耦合关系，才能准确地获得动力总成悬置系统的模态、解耦特性及隔振性能。
传统的商用车动力总成悬置系统优化设计方法通常以模态频率的合理分布、解耦率、隔振率等性能指标的一种或几种为优化目标，以悬置刚度、安装位置和角度的一种或几种为优化变量，忽略了稳健性设计要求，降低了设计方案的可靠性；或考虑了稳健性设计，但所用动力学模型相对简单，且优化目标、优化变量和约束条件等相对单一，所得优化方案无法直接应用于整车NVH性能提升，降低了产品设计效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足从而提供一种商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法及系统，通过建立可同时兼顾计算精度和效率的19自由度动力学模型以及基于质量设计方法构建稳健优化模型，提高了设计方案的可靠性，有效缩短开发周期和降低开发成本。
本发明是采用如下技术方案来实现的：
一种商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法，包括如下步骤：
S1，针对商用车结构特点，建立动力总成悬置系统的19自由度动力学模型；
S2，推导、组装19自由度动力学方程以及输出质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；
S3，求解固有频率、振型、能量解耦率以及预设工况下的隔振率；
S4，确立优化目标、优化变量和约束条件；
S5，开展DOE试验设计，为参数灵敏度分析提供所需数据库；
S6，开展参数灵敏度分析，确定对系统性能影响较大的关键参数；
S7，基于质量设计方法构建商用车动力总成悬置系统稳健优化模型，应用多目标优化算法求解，输出稳健优化设计方案。
作为发明的进一步说明，步骤S1包括：
19自由度动力学模型主要由动力总成、驾驶室、车架以及前、后悬簧下总成五个刚体组成；其中，动力总成、驾驶室均考虑纵向x、横向y、垂向z、侧倾Rx、俯仰Ry和横摆Rz六个方向的自由度；车架考虑z、Rx和Ry三个方向的自由度；前、后悬簧下总成分别考虑z、Rx两个方向的自由度；
刚体之间主要采用弹簧/阻尼并联力元连接；前、后悬簧下总成均主要由车轴、车轮和3/4板簧组成。
作为发明的进一步说明，步骤S2包括：
应用MAPLE软件，根据牛顿第二定律推导整车坐标系下系统各自由度方向的振动微分方程；
对各自由度方向的振动微分方程进行组装，获得19自由度动力学方程；
为系统位移向量，/>为系统所受外部载荷向量；
在MAPLE软件内，应用GenerateMatrix和CodeGeneration命令输出19自由度动力学模型的质量矩阵、刚度矩阵/>和阻尼矩阵/>，供MATLAB程序直接调用。
作为发明的进一步说明，步骤S3包括：
固有频率、振型和能量解耦率的求解：
固有频率为/>的解；将/>代入/>即可获得相应主振型/>；
解耦率可表示为：
为系统第/>主振型，/>为/>的第/>个元素，/>为质量矩阵/>的第/>行、第/>列的元素；
预设工况下的隔振率求解：
首先生成预设工况下的系统外部载荷向量，预设工况可为怠速工况、扫频工况或行驶工况中的至少一种；怠速、扫频工况下施加z、Rx和Ry方向的发动机激励，车辆行驶过程中可同时施加发动机和路面不平度激励；然后根据质量矩阵/>、刚度矩阵/>、阻尼矩阵/>和外部载荷向量/>，应用数值积分法求解悬置上、下位置点处的加速度时域响应/>和；最后根据加速度响应计算隔振率：
为动力总成单个悬置位置处的隔振率，/>为悬置数量。
作为发明的进一步说明，步骤S4包括：
选取动力总成z向、Rx向解耦率以及所有悬置位置处的z向隔振率为优化目标；选取动力总成前、后悬置元件的三个主轴方向刚度、安装位置和角度的几种或全部作为优化变量；约束条件考虑了性能和优化变量边界两种约束。
作为发明的进一步说明，步骤S5包括：
采用包括但不限于Hammersley、Optimal Latin hypercube的抽样方法进行DOE试验设计，为参数灵敏度分析或代理模型的构建提供所需数据库。
作为发明的进一步说明，步骤S6包括：
根据DOE分析结果，采用包括但不限于Sobol、Morris的方法进行灵敏度分析，识别参数的主效应以及参数间的交叉效应。
作为发明的进一步说明，步骤S7包括：
根据各优化目标的重要程度调整其相应权重，构建确定性优化目标函数；
为确定性优化目标函数，/>为优化设计变量；
根据确定性优化目标函数，基于质量设计方法构建动力总成悬置系统的稳健优化模型:
、/>分别为确定性优化目标函数的均值和标准差，/>、/>分别为优化变量的均值和标准差，/>、/>分别为优化变量变化范围的上下限，/>、/>为稳健性优化目标函数，/>为/>水平数，/>为系统性能约束函数；
采用NSGA-II的优化算法求解，输出悬置参数的稳健优化设计方案。
一种商用车动力总成悬置系统稳健性优化系统，包括上述任意一项所述的商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法；
系统包括：
动力学模型建立模块，用于建立动力总成悬置系统的19自由度动力学模型；
系统矩阵输出模块，用于输出质量矩阵、刚度矩阵/>和阻尼矩阵/>；
固有频率、振型、能量解耦率以及预设工况下的隔振率求解模块，用于求解固有频率、振型、能量解耦率以及预设工况下的隔振率；
优化三要素确立模块，用于确立优化目标、优化变量和约束条件；
DOE分析模块，用于进行试验设计方法，为参数灵敏度分析和代理模型构建提供数据库；
灵敏度分析模块，用于根据DOE分析提供的数据库，应用灵敏度分析方法进行参数灵敏度求解，获得影响系统性能的关键参数；
稳健优化设计模块，用于基于质量设计方法构建动力总成悬置系统稳健优化模型，采用优化算法求解并输出稳健优化设计方案。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
（1）鉴于商用车驾驶室与其它系统间的耦合效应不可忽略，本发明以整车为基础建立19自由度动力学模型，同时兼顾仿真精度和计算效率；
（2）本发明通过MAPLE软件推导系统振动微分方程并进行组装，可输出供MATLAB直接调用的系统质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；
（3）本发明所建动力学模型可同时施加发动机激励和路面不平度激励，或其中一种；
（4）本发明能够提升商用车动力总成悬置系统设计的稳健性，缩短设计、调试周期，提高工作效率；
（5）本发明适用于各种布置形式的商用车动力总成悬置系统。
附图说明
图1为本发明的商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法流程示意图；
图2为本发明的19自由度动力学模型简化示意图；
图3为本发明一实施例的优化前后的动力总成固有频率对比图；
图4为本发明一实施例的优化前后的动力总成解耦率对比图；
图5为本发明一实施例的优化前后的悬置隔振率对比图；
图6为本发明一实施例的优化后动力总成固有频率稳健性曲线图；
图7为本发明一实施例的优化后动力总成解耦率稳健性曲线图；
图8为本发明一实施例的优化后动力总成隔振率稳健性曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
前提说明：DOE试验是指试验设计，是数理统计的一个分支；
质量设计方法是指六西格玛，是一种管理策略，主要倾向于品质管理等；
MAPLE软件是指工程计算软件；GenerateMatrix命令是指生成矩阵命令；CodeGeneration命令是指代码生成命令；MATLAB程序是指商业数学软件；
Hammersley抽样方法是一种基于低差异度序列获得一组在参数空间内均匀分布的样本点的采样算法；Optimal Latin hypercube抽样方法是指最优拉丁超立方采样算法；
Sobol方法是指一种基于方差的全局敏感性定量分析方法；Morris方法通过对输入变量进行随机扰动，来评估输出变量的变化情况；
NSGA-II的优化算法是指基于支配的多目标优化算法。
如图1-2所示，一种商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法，包括如下步骤：
S1，针对商用车结构特点，建立动力总成悬置系统的19自由度动力学模型；
S2，推导、组装19自由度动力学方程以及输出质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；
S3，求解固有频率、振型、能量解耦率以及预设工况下的隔振率；
S4，确立优化目标、优化变量和约束条件；
S5，开展DOE试验设计，为参数灵敏度分析提供所需数据库；
S6，开展参数灵敏度分析，确定对系统性能影响较大的关键参数；
S7，基于质量设计方法构建商用车动力总成悬置系统稳健优化模型，应用多目标优化算法求解，输出稳健优化设计方案。
进一步的，步骤S1包括：
如图2所示，19自由度动力学模型主要由动力总成200、驾驶室100、车架300以及前悬簧下总成400、后悬簧下总成500五个刚体组成；其中，动力总成200、驾驶室100均考虑纵向x、横向y、垂向z、侧倾Rx、俯仰Ry和横摆Rz六个方向的自由度；车架300考虑z、Rx和Ry三个方向的自由度；前悬簧下总成400、后悬簧下总成500分别考虑z、Rx两个方向的自由度；
刚体间的连接关系主要采用弹簧/阻尼并联力元连接；前、后悬簧下总成均主要由车轴、车轮和3/4板簧组成；
动力学模型综合考虑了各子系统之间的相互耦合关系，更符合商用车结构特点。
进一步的，步骤S2包括：
应用MAPLE软件，根据牛顿第二定律推导整车坐标系下系统各自由度方向的振动微分方程；
对各自由度方向的振动微分方程进行组装，获得19自由度动力学方程；
为系统位移向量，/>为系统所受外部载荷向量。
在MAPLE软件内，应用GenerateMatrix和CodeGeneration命令输出19自由度动力学模型的质量矩阵、刚度矩阵/>和阻尼矩阵/>，供MATLAB程序直接调用。
进一步的，步骤S3包括：
固有频率、振型和能量解耦率的求解：
固有频率为/>的解；将/>代入/>即可获得相应主振型/>；
解耦率可表示为：
为系统第/>主振型，/>为/>的第/>个元素，/>为质量矩阵/>的第/>行、第/>列的元素；
预设工况下的隔振率求解：
首先生成预设工况下的系统外部载荷向量，预设工况可为怠速工况、扫频工况或行驶工况中的至少一种；怠速、扫频工况下施加z、Rx和Ry方向的发动机激励，车辆行驶过程中可同时施加发动机和路面不平度激励；然后根据质量矩阵/>、刚度矩阵/>、阻尼矩阵/>和外部载荷向量/>，应用数值积分法求解悬置上、下位置点处的加速度时域响应/>和；最后根据加速度响应计算隔振率：
为动力总成单个悬置位置处的隔振率，/>为悬置数量。
进一步的，步骤S4包括：
选取动力总成z向、Rx向解耦率以及所有悬置位置处的z向隔振率为优化目标；选取动力总成前、后悬置元件的三个主轴方向刚度、安装位置和角度的几种或全部作为优化变量；约束条件考虑了性能和优化变量边界两种约束：使动力总成各自由度方向上的频率落在预设隔振区内，频率间隔、x、y、Ry和Rz等方向的解耦率等性能满足设计要求；优化变量如悬置刚度、位置及角度等在给定参数范围内变化。
进一步的，步骤S5包括：
采用包括但不限于Hammersley、Optimal Latin hypercube的抽样方法进行DOE试验设计，为参数灵敏度分析或代理模型的构建提供所需数据库。
进一步的，步骤S6包括：
根据DOE分析结果，采用包括但不限于Sobol、Morris的方法进行灵敏度分析，识别参数的主效应以及参数间的交叉效应。
进一步的，步骤S7包括：
根据各优化目标的重要程度调整其相应权重，构建确定性优化目标函数；
为确定性优化目标函数，/>为优化设计变量；
根据确定性优化目标函数，基于质量设计方法构建动力总成悬置系统的稳健优化模型:
、/>分别为确定性优化目标函数的均值和标准差，/>、/>分别为优化变量的均值和标准差，/>、/>分别为优化变量变化范围的上下限，/>、/>为稳健性优化目标函数，/>为/>水平数，/>为系统性能约束函数；
采用NSGA-II的优化算法求解，输出悬置参数的稳健优化设计方案。
一种商用车动力总成悬置系统稳健性优化系统，包括上述所述的商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法；
系统包括：
动力学模型建立模块，用于建立动力总成悬置系统的19自由度动力学模型；
系统矩阵输出模块，用于输出质量矩阵、刚度矩阵/>和阻尼矩阵/>；
固有频率、振型、能量解耦率以及预设工况下的隔振率求解模块，用于求解固有频率、振型、能量解耦率以及预设工况下的隔振率；
优化三要素确立模块，用于确立优化目标、优化变量和约束条件；
DOE分析模块，用于进行试验设计方法，为参数灵敏度分析和代理模型构建提供数据库；
灵敏度分析模块，用于根据DOE分析提供的数据库，应用灵敏度分析方法进行参数灵敏度求解，获得影响系统性能的关键参数；
稳健优化设计模块，用于基于质量设计方法构建动力总成悬置系统稳健优化模型，采用优化算法求解并输出稳健优化设计方案。
下面通过一个具体的实例来说明上述实施例涉及的商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法及系统的应用。
针对采用直列四缸四冲程发动机的某型号轻卡汽车，空间6自由度动力学模型仅考虑了动力总成，包括纵向x、横向y、垂向z、侧倾Rx、俯仰Ry和横摆Rz六个方向的自由度；建立空间6自由度动力学模型作为优化前方案，
建立以整车基础的可同时兼顾计算精度和效率的动力总成悬置系统刚柔耦合的19自由度动力学模型作为优化后方案，如图2所示，仅施加、/>方向的发动机激励，以前、后悬置元件的3个主轴方向刚度为优化变量，以所有位置处的悬置隔振率为优化目标，其余性能指标作为约束条件。
优化前后的动力总成固有频率对比情况如图3所示：优化前的动力总成在方向的固有频率为17Hz，接近/>倍的发动机怠速激振频率即18Hz，容易造成系统在怠速时隔振效果不佳；优化后的动力总成在/>方向的固有频率为11Hz，实现了有效避频，使动力总成的频率配置更为合理。
优化前后的动力总成解耦率对比情况如图4所示：优化前的向能量解耦率仅为30%；优化后的/>向解耦率为65%，显著提高了隔振性能。
优化前后的悬置隔振率对比情况如图5所示：优化后的4个悬置位置处向隔振率均达90%以上，优化后悬置系统的隔振效果良好。
稳健性优化结果见图6～图8，可知稳健优化后的动力总成悬置系统的固有频率、解耦率以及隔振率的稳健性得到显著提高，从而降低了系统性能的波动和潜在失效概率。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，针对商用车结构特点，建立动力总成悬置系统的19自由度动力学模型；
S2，推导、组装19自由度动力学方程以及输出质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；
S3，求解固有频率、振型、能量解耦率以及预设工况下的隔振率；
S4，确立优化目标、优化变量和约束条件；
S5，开展DOE试验设计，为参数灵敏度分析提供所需数据库；
S6，开展参数灵敏度分析，确定对系统性能影响的关键参数；
S7，基于质量设计方法构建商用车动力总成悬置系统稳健优化模型，应用多目标优化算法求解，输出稳健优化设计方案；
步骤S1包括：
19自由度动力学模型主要由动力总成、驾驶室、车架以及前、后悬簧下总成五个刚体组成；其中，动力总成、驾驶室均考虑纵向x、横向y、垂向z、侧倾Rx、俯仰Ry和横摆Rz六个方向的自由度；车架考虑z、Rx和Ry三个方向的自由度；前、后悬簧下总成分别考虑z、Rx两个方向的自由度；
刚体之间主要采用弹簧/阻尼并联力元连接；前、后悬簧下总成均主要由车轴、车轮和3/4板簧组成；
步骤S2包括：
应用MAPLE软件，根据牛顿第二定律推导整车坐标系下系统各自由度方向的振动微分方程；
对各自由度方向的振动微分方程进行组装，获得19自由度动力学方程；
为系统位移向量，/>为系统所受外部载荷向量；
在MAPLE软件内，应用GenerateMatrix和CodeGeneration命令输出19自由度动力学模型的质量矩阵、刚度矩阵/>和阻尼矩阵/>，供MATLAB程序直接调用；
步骤S3包括：
固有频率、振型和能量解耦率的求解：
固有频率为/>的解；将/>代入/>即可获得相应主振型/>；
解耦率表示为：
为系统第/>主振型，/>为/>的第/>个元素，/>为质量矩阵/>的第/>行、第/>列的元素；
预设工况下的隔振率求解：
首先生成预设工况下的系统外部载荷向量，预设工况为怠速工况、扫频工况或行驶工况中的至少一种；怠速、扫频工况下施加z、Rx和Ry方向的发动机激励，车辆行驶过程中同时施加发动机和路面不平度激励；然后根据质量矩阵/>、刚度矩阵/>、阻尼矩阵/>和外部载荷向量/>，应用数值积分法求解悬置上、下位置点处的加速度时域响应/>和/>；最后根据加速度响应计算隔振率：
为动力总成单个悬置位置处的隔振率，/>为悬置数量。
2.根据权利要求1所述的商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法，其特征在于，步骤S4包括：
选取动力总成z向、Rx向解耦率以及所有悬置位置处的z向隔振率为优化目标；选取动力总成前、后悬置元件的三个主轴方向刚度、安装位置和角度的几种或全部作为优化变量；约束条件考虑了性能和优化变量边界两种约束。
3.根据权利要求2所述的商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法，其特征在于，步骤S5包括：
采用包括但不限于Hammersley、Optimal Latin hypercube的抽样方法进行DOE试验设计，为参数灵敏度分析或代理模型的构建提供所需数据库。
4.根据权利要求3所述的商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法，其特征在于，步骤S6包括：
根据DOE分析结果，采用包括但不限于Sobol、Morris的方法进行灵敏度分析，识别参数的主效应以及参数间的交叉效应。
5.根据权利要求4所述的商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法，其特征在于，步骤S7包括：
根据各优化目标的重要程度调整其相应权重，构建确定性优化目标函数；
为确定性优化目标函数，/>为优化设计变量；
根据确定性优化目标函数，基于质量设计方法构建动力总成悬置系统的稳健优化模型:
、/>分别为确定性优化目标函数的均值和标准差，/>、/>分别为优化变量的均值和标准差，/>、/>分别为优化变量变化范围的上下限，/>、/>为稳健性优化目标函数，/>为/>水平数，/>为系统性能约束函数；
采用NSGA-II的优化算法求解，输出悬置参数的稳健优化设计方案。
6.一种商用车动力总成悬置系统稳健性优化系统，其特征在于，包括权利要求1-5任意一项所述的商用车动力总成悬置系统稳健性优化方法；
系统包括：
动力学模型建立模块，用于建立动力总成悬置系统的19自由度动力学模型；
系统矩阵输出模块，用于输出质量矩阵、刚度矩阵/>和阻尼矩阵/>；
固有频率、振型、能量解耦率以及预设工况下的隔振率求解模块，用于求解固有频率、振型、能量解耦率以及预设工况下的隔振率；
优化三要素确立模块，用于确立优化目标、优化变量和约束条件；
DOE分析模块，用于进行试验设计方法，为参数灵敏度分析和代理模型构建提供数据库；
灵敏度分析模块，用于根据DOE分析提供的数据库，应用灵敏度分析方法进行参数灵敏度求解，获得影响系统性能的关键参数；
稳健优化设计模块，用于基于质量设计方法构建动力总成悬置系统稳健优化模型，采用优化算法求解并输出稳健优化设计方案；
19自由度动力学模型主要由动力总成、驾驶室、车架以及前、后悬簧下总成五个刚体组成；其中，动力总成、驾驶室均考虑纵向x、横向y、垂向z、侧倾Rx、俯仰Ry和横摆Rz六个方向的自由度；车架考虑z、Rx和Ry三个方向的自由度；前、后悬簧下总成分别考虑z、Rx两个方向的自由度；
刚体之间主要采用弹簧/阻尼并联力元连接；前、后悬簧下总成均主要由车轴、车轮和3/4板簧组成；
应用MAPLE软件，根据牛顿第二定律推导整车坐标系下系统各自由度方向的振动微分方程；
对各自由度方向的振动微分方程进行组装，获得19自由度动力学方程；
为系统位移向量，/>为系统所受外部载荷向量；
在MAPLE软件内，应用GenerateMatrix和CodeGeneration命令输出19自由度动力学模型的质量矩阵、刚度矩阵/>和阻尼矩阵/>，供MATLAB程序直接调用；
固有频率、振型和能量解耦率的求解：
固有频率为/>的解；将/>代入/>即可获得相应主振型/>；
解耦率表示为：
为系统第/>主振型，/>为/>的第/>个元素，/>为质量矩阵/>的第/>行、第/>列的元素；
预设工况下的隔振率求解：
首先生成预设工况下的系统外部载荷向量，预设工况为怠速工况、扫频工况或行驶工况中的至少一种；怠速、扫频工况下施加z、Rx和Ry方向的发动机激励，车辆行驶过程中同时施加发动机和路面不平度激励；然后根据质量矩阵/>、刚度矩阵/>、阻尼矩阵/>和外部载荷向量/>，应用数值积分法求解悬置上、下位置点处的加速度时域响应/>和/>；最后根据加速度响应计算隔振率：
为动力总成单个悬置位置处的隔振率，/>为悬置数量。
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