10_基于OptiStruct及整车模型的动力总成悬置解耦分析和优化方法

基于 OptiStruct及整车模型的动力总成悬置解耦分析和

优化方法

Method of power assembly mounting decoupling analysis and optimization based on OptiStruct and

whole vehicle model

樊红光 王卓

（长安汽车工程研究总院 重庆 400120）

摘 要：基于六自由度刚体-悬置模型的动力总成悬置解耦分析和优化方法通常是在概念设计阶段，

缺乏整车模型数据时的一种初步设计方法，由于未考虑车身刚度和质量的影响，难以反映实车状态下的真实解耦情况。为此，本文提出一种基于OptiStruct及整车有限元模型的动力总成悬置解耦分析和优化的新方法，并验证该方法的正确性、可行性和有效性。

关键词：悬置解耦 OptiStruct 整车有限元模型

Abstract：The method for power assembly mounting decoupling analysis and optimization based

on rigid body mounting model is usually used in the conceptual design stage and lacks detail full vehicle model data, and so it is a preliminary design method. It is difficult to reflect the real state of true decoupling without considering the influence of the body stiffness and mass. Therefore, a new method for power assembly mounting decoupling analysis and optimization based on OptiStruct and full vehicle model is proposed, and then its correctness, effectiveness and feasibility are verified.

Key words：mounting decoupling; OptiStruct; whole vehicle finite element model

1前言

动力总成悬置系统的首要任务是隔离动力总成的振动向车架、车身及车厢内部传递，尤其是控制动力总成怠速工况下的低频抖动，并隔离动力总成高速运转时引起的车室内部噪声。若系统的固有模态之间存在运动耦合，则某一自由度方向上的振动会激起其他方向上的振动，对悬置系统的振动控制和隔振不利[1]。在动力总成怠速工况下，动力总成倾覆力矩主谐量的频率与动力总成的刚体振动模态(约5～30 Hz)较为接近，模态耦合会使隔振性能恶化。因此，动力总成悬置系统设计的基本任务是，解决动力总成的各刚体振动模态的频率配置问题和振动耦合问题。动力总成悬置系统设计是个复杂的任务，其基本原则是解耦布置[2]。

传统方法将车身看作是质量和刚度无穷大，从而将整车动力总成解耦问题简化为六自由度动力总成和3个刚度的悬置组成的六自由度-悬置系统的解耦问题，并使用优化算法对悬置的刚度，安装位置和角度进行优化，使各阶模态解耦。这种方法简单、快捷，但难以反映实车状态下的真实解耦情况[3]。针对该问题，本文提出一种利用整车有限元模型和OptiStruct进行悬置解耦分析和优化的方

法，并应用在实际的开发项目中，取得较好的效果。

2 动力总成坐标系和能量解耦法

动力总成悬置系统示意见图1。在整车模型中，将动力总成视为一个具有六自由度的刚体，其通过悬置支撑在车身上，车身为有限元模型，考虑车身刚度和质量，悬置被视为具有三向刚度的弹性阻尼组件。定义笛卡儿坐标系统G0-xyz为系统坐标，坐标系原点G0在动力总成处于静平衡位置时的质心处，x轴与发动机曲轴方向平行，正向指向发动机侧，z轴垂直气缸上端盖法兰平面，向上为正。坐标系遵循右手法则。

图1 动力总成悬置系统示意

在众多解耦方法中，能量解耦法简单、方便，适用性强，应用较为广泛。在质心坐标系中，系统在作各阶主振动时，其能量全部集中在6个方向。求出各阶主振动下各个方向的振动能量所占的百分比，写成矩阵形式，便得到系统的能量解耦率矩阵 。当系统以第k阶固有频率振动时,第j个广义坐标所占的能量百分比

6

kj

M

l 16

6k 1l 1

kl

kj lj

kl

(1)

M

kj lj

j

式中：k为系统的k阶主振型； kj为第k阶振型的第j个元素;Mkl为质量矩阵第k行，l列元素。 k可求出能量解耦率矩阵。

值越大，系统的解耦程度就越高。已知动力总成质量矩阵，求出动力总成的各阶模态振型向量，即

3基于整车模型的悬置解耦分析和优化方法

3.1 在OptiStruct中将解耦率作为响应的表示方法

对于有限元模型的模态优化分析，使用OptiStruct很方便，但是OptiStruct中并不能直接定义解耦率响应，因此，解耦率不能直接作为目标或约束，本文使用下述方法解决这个问题：

使用第一类响应DRESP1得到动力总成质心的模态位移，动力总成质量矩阵为已知量， 即可按照公式（1）将解耦率表达为第二类响应，从而可以被约束和优化目标卡片引用。

具体做法为：将动力总成质心的模态位移定义为第一类响应DRESP1，动力总成质量矩阵为已知量，定义为DTABLE，然后使用DEQATN定义方程(式1)，再利用卡片DRESP2将位移响应DRESP1,动力总成质量矩阵DTABLE和DEQATN组合起来，即可将解耦率表达为第二类响应，从而可以被约束和优化目标卡片引用。

3.2 约束条件和优化目标的设定 3.2.1 约束条件

从积极隔振的角度出发，应当控制动力总成所产生的激励向车身传递，故应使系统的振动传递率最小，因此，动力总成解耦需要考虑频率匹配和振动方向解耦率2个方面，分别有以下一些要求。 (1)动力总成悬置系统的固有频率必须低于发动机怠速2阶振动频率的

(2)Lateral模态。动力总成在x方向上没有激励分量，但也应具有足够的刚度，保证在汽车制动时动力总成在该方向上不发生较大窜动，避免动力总成风扇与散热器片发生碰撞。

(3)Fore/After模态。动力总成在y方向上的振动一般有与绕x方向上的扭转振动耦合的趋势，需要有一定的频率间隔；从隔振角度来看，y方向上要隔离的干扰力没有z方向大。另外，还需考虑汽车在转弯工况时，动力总成在该方向上不发生过大的移动。

(4)Bounce模态。动力总成z向固有振动频率主要影响由路面激励引起的整车振动，此外，z向固有振动频率还应避开前悬同步跳动的Hop模态的固有频率和车身垂直跳动固有频率。

(5)Roll模态。动力总成绕x方向的扭转振动有与y方向的振动耦合的趋势，动力总成绕x轴转动的固有频率必须低于动力总成怠速时点火脉冲频率的1/2，同时，又必须大于车身的刚体扭转振动频率。 (6)Pitch模态。动力总成在绕y方向的振动有与动力总成绕x方向的扭转振动耦合的趋势，需要有一定的频率间隔，同时绕y方向固有振动频率还应避开前悬异步跳动的Tramp模态的固有频率。 (7)Yaw模态。动力总成在绕z方向的振动有与动力总成绕x方向的扭转振动耦合的趋势，需要有一定的频率间隔。

综合考虑上述因素，动力总成悬置解耦基本要求见表1。

表1 动力总成悬置解耦基本要求

3.2.2 优化目标

为尽可能地提高各阶模态的解耦率，同时考虑到每阶模态解耦率的重要性并不完全相同，因此，优化目标可以定义为

i 6i 1

J wiki (2)

式中：wi为第i阶模态的解耦率ki对应的权重因数；J为优化的目标函数。

4 实例分析

4.1 模型描述

某SUV整车有限元模型见图2，共2 890 500个单元，动力总成简化为六自由度刚体，通过BUSH单元模拟动力总成悬置，连接动力总成与车身，发动机怠速2阶激振频率为25 Hz，前悬Tramp模态和Hop模态频率 …… 此处隐藏：3137字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……