本发明专利技术公开了一种考虑激振力引起刚度和阻尼动态变化的发动机悬置系统优化设计方法。该方法首先建立了发动机悬置系统的动力学模型，在悬置垂向静刚度设计范围和激振频率变化范围所构成的区间内选取样本点，计算样本点所对应的动态刚度和阻尼值，再进行数据拟合，建立预测模型，然后根据多自由度振动理论得出悬置系统的振动微分方程，通过求解该微分方程，得出悬置系统六自由度的固有频率和相应的动态响应，以质心处垂直方向上的振动传递率在振动频率范围内的积分和为优化目标，选取四个悬置垂向静刚度值为优化设计变量，以悬置系统六自由度的固有频率为约束条件，再采用遗传算法进行优化，最后通过一具体算例验证了该方法的可行性。使该发明专利技术的发动机悬置系统优化设计方法更具完整性和实用性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于汽车结构优化领域，涉及一种发动机悬置系统的优化方法。
技术介绍
发动机是车辆的主要振源之一，由于内燃机工作的循环性和运动机构的往复性， 发动机的振动不可避免。随着路面等级的不断提高和其它总成的进一步完善，发动机的振 动问题变得越来越突出，这使得发动机的隔振设计变得尤为重要。为了减小发动机的振动 向人体的传递，出现了发动机悬置系统。对于发动机来说，它的六个固有振型在多个自由度 方向上是耦合的，这样就扩大了共振的频率范围，使得振动的响应方向不再单一，不利于振 动的控制。目前在关于发动机悬置的研究中，一般是以各阶或者部分阶数模态能量解耦率的 加权和最大为目标。但是，对于常见的四缸发动机在较高转速下的主要激励类型一一发动 机往复惯性力激励，仅从能量解耦的角度进行设计通常不能满足要求，而最直观的评价方 法就是悬置系统的振动传递率，由于要考虑所有频率下的振动传递率，研究发现，橡胶悬置 为粘弹性阻尼材料，其刚度和阻尼会随频率的变化而变化，若仅仅以静刚度函数代替全频 率下的动刚度和阻尼，则优化结果与实际必然产生较大偏差。目前还没有关于考虑受频率 影响的刚度和阻尼的发动机悬置优化方面的研究和专利。 本专利技术充分考虑刚度和阻尼随激振频率的变化规律，提出了一种考虑动态刚度和 动态阻尼的悬置系统优化设计方法，这对保障车辆悬置系统设计的可靠性、稳定性以及保 证悬置系统整体性能都具有重要的工程意义。
技术实现思路
本专利技术研究了汽车发动机悬置动态刚度和动态阻尼随激振频率在对应静刚度范 围内的变化关系。为解决实际中刚度和阻尼随激振频率的关系特性问题，在此提出了一种 考虑激振力引起刚度和阻尼动态变化的发动机悬置系统优化方法。此方法具体步骤如下： 步骤1 :建立发动机悬置系统的动力学模型； 步骤2:在悬置垂向静刚度设计范围和激振频率变化范围所构成的区间内选取样 本点，计算样本点所对应的动态刚度和等效阻尼系数，再进行数据拟合，建立预测模型； 步骤3 :根据多自由度振动理论得出悬置系统的振动微分方程； 步骤4 :根据步骤3中所建立的振动微分方程，通过求解该微分方程，得出悬置系 统六自由度的固有频率和相应的动态响应，以质心处垂直方向上的振动传递率在振动频率 范围内的积分和为优化目标，选取四个悬置垂向静刚度值为优化设计变量，以悬置系统六 自由度的固有频率为约束条件，建立优化模型； 步骤5 :采用遗传算法进行优化，得出最优解。 其中步骤2中刚度设计范围设为：kn彡kk1U,i= 1，2, 3, 4,其中h为第i个 悬置的垂向刚度，kn和klu分别为第i个悬置垂向刚度的下限和上限；激振频率的变化范围 为：US1<ωωSu，其中US1和ωSU分别为激振频率的下限和上限。使用拉丁方实验方 法在这两个范围所构成的二维区间内均匀取η个样本点，仿真计算出其所对应的动态刚度 和等效阻尼系数，使用径向基函数进行拟合，得出函数表达式为： 式中：Wi为权系数，r;= ||χ-χ」|是待测点X与样本点乂;之间的欧氏距离。得到 四个悬置对应的动态刚度和动态阻尼在静刚度变化范围内关于激振频率的表达式，即建立 预测模型。 步骤3中所建立的振动微分方程为： Mq+Cq+Kq = P(〇 式中：质量矩阵Μ为： ?(〇 =也义上，1：!^4厂为正弦激励向量4=氏7,2，€[，3，丫}了为系统 广义位移向量，4为系统广义速度向量，喊为系统广义加速度向量，m为系统总质量，Ιχχ、Iyy、Ιζζ为系统绕参考坐标轴的转动惯量，Ixy、Ixz、Iyz为系统相对参考坐标轴的惯性积， Cxx、Cyy、Czz为弹性支撑的总往复阻尼，Cαα、Cpp、CYY为弹性支撑的总回转阻尼，kxx、kyy、kzz为弹性支撑的总往复刚度，kαα、kpp、kYY为弹性支撑的总回转刚度，clj=cpi= 1，2,· · ·，6,j= 1，2,· · ·，6,i乒j为弹性支撑的各种親合阻尼，1^=kmi= 1，2,· · ·，6,j =1，2,. . .，6,i辛j为弹性支撑的各种耦合刚度。 步骤4中，当涉及动态响应的计算时，利用Newmark法解此微分方程，设第i(i= 1，2, 3, 4)个悬置在广义坐标下的弹性中心坐标为（Xl，yi，Zl)，在正弦激励下各广义坐标下 的响应q，再通过响应的坐标变换?\，可求得第i个悬置在广义坐标下的微变量dq;，即： dqx=Tx ·q 式中咖1=恤1，(^1，(^ 1厂，动力总成系统中第1个悬置的坐标变换矩阵1'1为： 由于悬置软垫的阻尼不大且其主要作用是降低共振峰值，故仅涉及固有频率计算 时只分析系统的自由振动，可不考虑阻尼，则系统的振动微分方程为： M:q+Ktj[ =0：0 在系统参考坐标系中，根据自由振动微分方程Μ??_fKq= 〇可计算出悬置系统各 阶固有频率《nj，j= 1，2, 3, 4, 5, 6。垂直方向上的二阶往复惯性力简化到质心处的表达式 为： Fz= 4mrλω2cos2c〇t， 式中：λ为曲轴半径与连杆长度之比，ω(ω=2πη/60)为发动机曲轴角速度，m 为气缸活塞和往复运动部分质量，r为曲轴半径。 质心处动态响应的输出是悬置系统最直接隔振性能评价指标，本文采用"广义力 传递率"作为评价指标。当质心处以垂直方向的激励Fz为输入时，其相应的输出定义为 F'z，将输出和输入的幅值比定义为广义力传递率，其表达式为： TF= 5Frz/5Fz, 式中：δΡ2和发动机动力总成质心处垂直方向输出和输入响应力的幅 值。该广义力传递率函数量纲为一，与激励的幅值和相位无关。为进行动力总成在大量工 况下（怠速和非怠速工况下）的广义力传递率分析，将上述定义的广义力传递率在其相应 的激振频率范围内积分，则目标函数可定义为： min/(d)=jTF , 式中：d为优化设计向量，f(d)为目标函数，&和fu分别为激振频率的下限和上 限。这里认为2s以后TF进入稳定振动状态。 选取四个悬置的垂向刚度为优化设计向量d: d= {kj,k2,k3,k4} 〇 根据隔振原理，系统第j阶固有频率ωη]和激振频率ωs]应该满足以下不等式约综上所述，建立优化模型如下： d= {kj,k2,k3,k4} 本专利技术的有益效果是： 1.本专利技术基于优化理论，考虑了发动机悬置系统刚度和阻尼随激振频率的变化关 系特性，并以广义力传递率为优化目标，利用遗传算法进行了高效的优化设计。 2.本专利技术能够在汽车初始设计阶段更切实际地预测其悬置的振动特性及其可优 化空间，通过对悬置刚度参数的更改，可快速、高效地提供优化设计方案，缩短其悬置系统 开发周期及降低成本。【附图说明】 图1为第i个悬置的任意布置空间简图。 图2为发动机悬置系统四点布置模型。 图3为橡胶悬置迟滞回线示意图。 图4为静刚度为107000N/m的前左悬置在频率为30Hz时的载荷一位移迟滞回线。 图5为静刚度为309000N/m的后左悬置在频率为37Hz时的载荷一位移迟滞回线。 图6为前悬置动态刚度关于激振频率在对应静刚度变化范围内的响应面。 图7为前悬置等效粘性阻尼系数关于激振频率在对应静刚度变化范围内的响应 面。 图8为后悬置动态刚度关于激振频率在对应静刚度变化范围内的响应面。 图9为后悬置等本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种考虑激振力引起刚度和阻尼动态变化的优化设计方法，用于发动机悬置系统的结构优化设计，所述方法包括以下步骤：步骤1：建立发动机悬置系统的动力学模型；步骤2：在悬置垂向静刚度设计范围和激振频率变化范围所构成的区间内选取样本点，计算样本点所对应的动态刚度和等效阻尼系数，再进行数据拟合，建立预测模型；步骤3：根据多自由度振动理论得出悬置系统的振动微分方程；步骤4：根据步骤3中所建立的振动微分方程，通过求解该微分方程，得出悬置系统六自由度的固有频率和相应的动态响应，以质心处垂直方向上的振动传递率在振动频率范围内的积分和为优化目标，选取四个悬置垂向静刚度值为优化设计变量，以悬置系统六自由度的固有频率为约束条件，建立优化模型；步骤5：采用遗传算法进行优化，得出最优解。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姜潮，赵旭光，冯恩升，韩旭，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。