基于遺傳算法的某車型懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

代東昌

摘要：懸置系統(tǒng)的設(shè)計對車輛NVH性能起著重要作用，影響著整車振動大小及噪聲水平。以某車型動力總成懸置系統(tǒng)為載體，基于Virtual.Lab建立的系統(tǒng)分析模型，分別計算了懸置系統(tǒng)固有頻率分布、模態(tài)解耦率及系統(tǒng)位移量，結(jié)果顯示：懸置系統(tǒng)固有頻率分布不合理，重要方向的解耦率小于80%，且位移量大于10mm，均不滿足要求;應(yīng)用遺傳算法，對懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，將系統(tǒng)變量設(shè)定為懸置橡膠剛度，固有頻率及位移量所要求的范圍設(shè)定為約束條件，目標(biāo)為解耦率最大。通過優(yōu)化懸置橡膠剛度參數(shù)，懸置系統(tǒng)的固有頻率、位移量可以控制在要求的范圍內(nèi)，并且模態(tài)耦合的程度大大降低。

Abstract： The design of the mount system plays an important role in NVH performance of the vehicle， and affects the vibration and the noise level of the whole vehicle.Taking the powertrain mount system of a vehicle as a carrier， and based on the system analysis model established by Virtual.Lab， the natural frequency distribution， modal decoupling rate and system displacement of the mount system are calculated respectively， the results show that： the natural frequency distribution of the mount system is unreasonable， the decoupling rate in the important direction is less than 80%， and the displacement is greater than 10mm， which do not meet the requirements. Based on the results， the system variable is set as the mounting rubber stiffness， and the range required by the natural frequency and displacement is set as a constraint condition， and the genetic algorithm is applied for optimization and analysis of the mount system， with the goal of maximizing the decoupling rate. By optimizing the mounting rubber stiffness parameters， the natural frequency and displacement of the mount system can be controlled within the required range， and the degree of modal coupling is greatly reduced.

關(guān)鍵詞：懸置系統(tǒng);NVH;固有頻率;模態(tài)解耦率;遺傳算法

0? 引言

動力總成作為激勵源，在車輛怠速或行駛過程中，時刻向懸置被動側(cè)的車架部位傳遞著振動能量，該振動能量在傳遞過程中不管為減弱還是放大，都會直接影響客戶對車輛的主觀感受，所以懸置系統(tǒng)的設(shè)計在整車測評中尤為重要。

一直以來，國內(nèi)外許多學(xué)者針對懸置系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化問題，進(jìn)行過大量的研究。John Brett[1]將優(yōu)化目標(biāo)定為車廂，利用“最小響應(yīng)法”，對懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計;Seonho Cho[2]選取座椅和轉(zhuǎn)向柱為優(yōu)化目標(biāo)，利用能量解耦法，優(yōu)化懸置系統(tǒng)，得到較好的結(jié)果，使得兩個部位振動加速度值均減小;在懸置系統(tǒng)設(shè)計中，LE Ooi等[3]人增加了懸置橡膠阻尼及動剛度參數(shù)，將運算模型創(chuàng)建的更為準(zhǔn)確;針對懸置支反力的研究，周冠南等[5]人利用序列二次規(guī)劃法，對懸置剛度進(jìn)行優(yōu)化，目的使發(fā)動機的傳遞力達(dá)到最小;侯勇等[6]人應(yīng)用遺傳算法，對變量參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，不僅提高了求解效率，還能得到全局最優(yōu)解。

借助于西門子分析軟件LMS Virtual.Lab建立六自由分析模型，對動力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行求解計算，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合遺傳算法，對懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1? 動力總成懸置系統(tǒng)模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

針對動力總成懸置系統(tǒng)，由于動力總成剛度很大，對整個運動過程影響很小，為簡化要研究的問題，需忽略動力總成的體積和形狀，將其假設(shè)為一個剛體結(jié)構(gòu)，懸置橡膠簡化為襯套元件，只考慮其三向平動剛度和阻尼。已知X軸、Y軸平行于地面，并且定義X軸為整車行進(jìn)方向，Y軸為整車左右方向且平行于曲軸軸向，Z軸與水平面垂直且向上，建立六自由度分析模型，見圖1。

其中，K表示懸置系統(tǒng)的剛度矩陣，M表示動力總成的質(zhì)量慣性矩陣，求解上述方程（3），可得動力總成懸置系統(tǒng)固有頻率分布及對應(yīng)振型，繼而可根據(jù)振型能量的分配，得到所對應(yīng)固有頻率的能量分布概率。

1.2 動力學(xué)模型

對于橡膠懸置的阻尼計算，可通過工程經(jīng)驗，利用剛度值進(jìn)行推算，得到結(jié)果，如表3所示。

在Virtual.lab中將動力總成視為剛體，懸置橡膠用bushing單元來模擬，仿真模型如圖2所示，輸入相關(guān)參數(shù)，即可進(jìn)行求解計算。

2? 遺傳算法應(yīng)用

2.1 遺傳算法簡介

遺傳算法，即當(dāng)面對復(fù)雜優(yōu)化問題時，用種群內(nèi)隨機搜索技術(shù)代替并求解，該方法通過對當(dāng)前群體內(nèi)的個體進(jìn)行選擇、交叉、變異等一系列遺傳操作，使得種群可以不斷迭代更新，并且逐步進(jìn)化到包含近似最優(yōu)解的狀態(tài)。優(yōu)化步驟如下：①系統(tǒng)參數(shù)編碼;②生成初始群體;③適應(yīng)性值評估檢測;④選擇適應(yīng)性強個體;⑤交叉生成新個體;⑥變異運算?；玖鞒桃妶D3。

2.2 變量參數(shù)、約束條件及優(yōu)化目標(biāo)確定

針對動力總成懸置系統(tǒng)的優(yōu)化，僅考慮橡膠部件的參數(shù)變化，選取三個位置懸置橡膠的靜剛度作為變量，將其輸入至求解模型進(jìn)行計算。

在車輛行駛條件下，考慮機器的使用工況，還需要約束動力總成及懸置橡膠位移量，最大不超過10mm，目的主要為防止動力總成與發(fā)動機艙發(fā)生干涉，影響機器正常工作。

優(yōu)化的目標(biāo)為懸置系統(tǒng)各階固有頻率的能量占總能量的80%以上。

3? 懸置系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化前懸置系統(tǒng)計算結(jié)果

原狀態(tài)的動力總成懸置系統(tǒng)固有頻率及能量分布矩陣如表4所示?？梢缘玫?，懸置系統(tǒng)原狀態(tài)前三階固有頻率差值均在1Hz以內(nèi)，不滿足要求;并且優(yōu)化前計算的能量分布結(jié)果中，z向和α向、α向和δ向、β向和δ向模態(tài)耦合程度較高，其中z向（上下移動方向）和β向（繞曲軸旋轉(zhuǎn)方向）為模態(tài)解耦的重要方向，且β向解耦率達(dá)不到85%，懸置隔振效果不佳，造成被動端振動較大。

原狀態(tài)動力總成懸置系統(tǒng)位移計算結(jié)果如圖4所示。動力總成及懸置橡膠均為壓縮狀態(tài)，動力總成壓縮量為15.384mm，懸置橡膠前端壓縮量為14.247mm，后端壓縮量為17.474mm，電機端壓縮量為12.975mm，均超過10mm的要求。在工程應(yīng)用中，動力總成在發(fā)動機艙內(nèi)的位移量過大，會造成零部件的干涉，對整車的主觀使用產(chǎn)生不利的影響。

3.2 優(yōu)化后懸置系統(tǒng)計算結(jié)果

為了獲取較優(yōu)的方案，避免得到的剛度值為局部解，需對剛度參數(shù)從較大的區(qū)間進(jìn)行最優(yōu)解的搜索，根據(jù)同級別車型應(yīng)用經(jīng)驗，選取的范圍為：10000-300000N·m-1。尋找最合適的剛度組合過程如圖5所示，在928次計算后，得到了上述范圍內(nèi)的最優(yōu)剛度組合，如表5所示。模態(tài)頻率分布及解耦率優(yōu)化的結(jié)果如表6所示。將計算得到的剛度值，輸入至Virtual.lab中，求解計算模型，得到的結(jié)果如表7所示。對比表6、表7，可以得出，利用遺傳算法和用Virtual.lab計算得到的系統(tǒng)固有頻率大小及解耦率矩陣基本相同，在解決實際工程問題時，可忽略不計。

由表7可知，優(yōu)化后的固有頻率分布合理，并且原狀態(tài)耦合嚴(yán)重的方向得到了很大的改善，其中β向解耦率得到大幅提升，達(dá)到93.43%，z向解耦率雖有所降低，但也在90%以上，滿足要求。除此之外的其它方向能量分布均達(dá)到了80%的要求，有益于隔振。

通過上述對比分析可得出，利用遺傳算法和用Virtual.lab計算得到的系統(tǒng)固有頻率大小及解耦率矩陣差值很小，表明該優(yōu)化算法的結(jié)果為準(zhǔn)確可用的，后續(xù)可直接在仿真軟件中對系統(tǒng)的位移量進(jìn)行計算，結(jié)果如圖6所示。

優(yōu)化后動力總成懸置系統(tǒng)位移計算結(jié)果顯示，動力總成壓縮量為6.804mm，懸置橡膠前端壓縮量為6.743mm，后端壓縮量為6.837mm，電機端壓縮量為6.379mm，均達(dá)到10mm的要求。優(yōu)化狀態(tài)對比原狀態(tài)，動力總成位移量得到了較好的控制，避免了運動干涉的發(fā)生。

4? 結(jié)論

①利用Virtual.Lab建立了系統(tǒng)分析的六自由度模型，分別計算了懸置系統(tǒng)的固有頻率、解耦率及位移量。結(jié)果表明，原狀態(tài)懸置系統(tǒng)的固有頻率、解耦率、位移量均不滿足要求，需對懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。②基于遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化分析，系統(tǒng)變量設(shè)定為橡膠剛度，約束固有頻率分布及位移量的范圍，目的使模態(tài)解耦率達(dá)到最大，可以得到一組剛度參數(shù)的最優(yōu)解;同時，通過對比優(yōu)化算法與Virtual.lab結(jié)果的一致性，也驗證了該優(yōu)化方法的可靠性。③通過優(yōu)化懸置橡膠剛度參數(shù)，懸置系統(tǒng)的固有頻率、位移量可以控制在要求的范圍內(nèi)，并且模態(tài)耦合的程度大大降低，有益于隔振效果的提升;優(yōu)化后動力總成和懸置橡膠位移量均小于10mm，可以避免運動干涉的發(fā)生。

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