汽车动力总成橡胶悬置结构分析与优化研究

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　　摘  要：文章围绕汽车动力总成橡胶悬置结构进行分析，针对汽车动力总成橡胶悬置结构实物，构建有限元模型，并通过计算橡胶三向刚度水平的方式，对比实验结果，证实有限元分析模型的正确性。在此基础之上证实引入神经网络、非线性有限元分析、以及遗传算法的橡胶悬置结构优化设计方案具有良好的可行性。
　　关键词：汽车;动力总成;橡胶;悬置结构
　　中图分类号：U463.33        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）18-0072-02
　　Abstract： This paper focuses on the analysis of the rubber mounting structure of automobile power assembly， constructs the finite element model for the actual rubber mounting structure of automobile power assembly， and verifies the correctness of the finite element analysis model by calculating the rubber three-dimensional stiffness level and comparing the experimental results. On this basis， it is proved that the optimal design scheme of rubber suspension structure with neural network， nonlinear finite element analysis and genetic algorithm is feasible.
　　Keywords： automobile; powertrain; rubber; mounting structure
　　1 橡胶悬置结构概述
　　 汽车动力总成悬置系统的主要目的是隔离汽车动力总成系统振动噪音向汽车内部的传递，是汽车内部振动噪音控制的关键所在。自1930年开始，橡胶悬置结构被尝试应用于发动机振动隔离环节中。有关研究人员尝试从六自由度解耦理论角度对橡胶悬置结构隔振设计问题进行研究，将动力总成以及车架视作刚体，将橡胶块作为弹簧，基于撞击中心理论以及惯性主轴特性理论对悬置结构位置以及刚度参数的选取进行阐述，通过研究发现系统垂直方向固有振动频率应控制在发动机怠速运行状态下所对应扰动频率的1/3，这一研究结论为橡胶悬置结构的进一步研究奠定了理论基础。在此基础之上，有关研究中尝试从悬置结构空间限制、悬置结构稳定性、固有振动频率、以及悬置结构刚度水平等多个因素着手，探讨改善悬置结构隔振性能的有效措施，并从悬置结构材料选择、热容量水平、使用寿命等方面对悬置结构设计水平进行检验。在上述研究结论的指导下，有关人员尝试简化悬置结构力学模型，在结构刚性条件下，形成基于六自由度的刚体-阻尼弹簧模型，促进了悬置结构研究成果的进一步深入，并依托于有限元分析法、神经网络法等多种理论的综合应用，为汽车动力总成橡胶悬置结构的进一步优化设计提供了重要手段与依据。
　　2 橡胶悬置结构有限元分析
　　 以有限元模型为基础，对模型施加荷载作用力以及边界条件，分析橡胶悬置结构有限元刚度特性，并通过对比静刚度以及实验数据的方式，评估有限元模型正确性。选用ANSYS分析软件，利用有限元模型对液压悬置结构不同轴向静刚度值进行计算，同时于金属臂施加沿X轴方向传递位移作用力，对固定约束条件下液压悬置结构支反力进行测定，通过支反力与位移比值的方式计算该方向所对应静刚度值。在此基础之上，将动力总成橡胶悬置结构有限元模型导入ANSYS分析软件中，定义MR材料模型，输入参数C10、以及C01对橡胶材料参数进行设定，并通过施加位移作用力以及固定约束的方式进行有限元仿真计算。按照上述步骤，对1.0mm、2.0mm、3.0mm以及4.0mm条件下不同轴向所对应约束反力进行计算，位移1.0mm条件下，仿真Fy值为58.442N，仿真Fz值为105.63N，仿真Fx值为118.31N;位移2.0mm条件下，仿真Fy值为116.87N，仿真Fz值为211.54N，仿真Fx值为240.38N;位移3.0mm条件下，仿真Fy值为175.25N，仿真Fz值为318.07N，仿真Fx值为365.86N;位移4.0mm条件下，仿真Fy值为233.57N，仿真Fz值为425.57N，仿真Fx值为493.95N。
　　3 橡胶悬置结构优化分析
　　 橡胶悬置结构动力学参数不仅受橡胶材料性能的影响，同时也与结构尺寸、 形式存在密切关联性。因此，当橡胶材料配方以及物理机械性能保持稳定的情况下，如何对悬置结构进行优化设计，以与动力总成悬置系统设计需求相匹配，是保障系统隔振性能的关键所在。为达到悬置结构优化目的，尝试引入神经网络、非线性有限元分析、以及遗传算法相结合的优化方法，利用三种方法各自优势，以得到可行区域内弹性特性最佳状态所对应的设计变量以及目标参数。以下结合汽车动力总成后悬置结构1001050-080829实例，对神经网络、非線性有限元分析、以及遗传算法相结合的优化方法具体应用步骤进行阐述：
　　第一步，确定神经网络训练样本。训练样本是构建神经网络模型的重要基础，训练样本数量及其合理分布能够将结构映射关系充分表现出来，基于正交实验法获取数量尽可能少且呈均匀、全面分布的训练样本。在汽车动力总成橡胶后悬置结构优化中，采用正交表L1644作为神经网络模型训练样本，总数量为16个，输入变量为4个，单个因素水平为4，并结合有限元模型对不同方向刚度值进行计算，以作为模型输入变量。 　　 第二步，利用有限元方法计算训练样本刚度值。本实例中汽车动力总成后悬置结构共涉及到4种不同硬度材料，拟合生成材料对应C10以及C01参数，如下表（见表1）所示。
　　 结合上述材料参数，对于该车型动力总成后悬置结构，原车刚度不同方向取值分别为Kx=200.0N/mm，Ky=50.0N/mm，Kz=90.0N/mm。基于不同硬度材料参数，采用有限元分析方法进行刚度计算，以校验原模型材料规格，有限元分析过程中对与橡胶硫化一体的外部金属圈施加位移约束作用力，内部施加载荷作用力。有限元模型如下图（见图1）所示。硬度H46条件下，经有限元计算模型刚度水平与原模型刚度水平有良好一致性，在此基础之上以中间位移为变形量，不同方向刚度水平分别为：Kx=217.0N/mm，Ky=45.5N/mm，Kz=76.0N/mm，误差在8.5%～14%范围内。为应用有限元计算方法对样本刚度值进行计算，在C10取值为0.219352，C01取值为0.208411条件下，对样本进行分析计算，得到不同参数条件下后悬置结构三向刚度值。
　　 第三步，构建神经网络模型。选用三层神经网络模型结构，输入层节点受设计变量个数影响，输出层神经元共3个，与后悬置结构Kx、Ky、Kz方向刚度对应，隐层神经元格式为2N+1个。搭载MATLAB模型构建神经网络，应用LM算法对网络进行训练，以训练次数为横坐标，以训练误差为纵坐标构建坐标体系，训练误差越小，则样本目标与神经网络输出结果一致性越高，以目标误差低于0.00001为标准。经一致性检验，网络输出与样本目标有良好吻合性，最大误差低于0.01，证实神经网络已经实现所逼近非线性函数功能，有良好计算效果。
　　 第四步，基于遗传算法对神经网络模型最优解进行计算。将遗传算法引入神经网络模型最优解计算过程中，对结构参数优化进行筛查运算，调整设计变量，构建映射关系，不能够对目标函数值进行计算，从而实现对最优解进行搜寻的目的。考虑刚度设计目标值，将动力总成后悬置结构在X、Y、Z三个方向刚度分别定义为Kx、Ky、Kz，所对应具体刚度值分别定义为k、k、k，则可构建优化设计的目标函数如下式（1）所示：
　　 根据该目标函数，经最优解搜寻，输出最优设计变量tr为9.7mm，ts为33.3mm，tz为46.4mm，θ为25.3°。与之相对应后悬置结构刚度水平分别为Kx=220.1N/mm，Ky=55.9N/mm，Kz=150.3N/mm。与优化设计目标进行对比，X以及Z方向刚度水平一致性好，Y方向存在误差，误差率为6.7%，主要原因是Y方向与曲轴方向保持平行，刚度值对隔振所起到作用较低，在小范围内的变化对隔振无明显影响。因此得到对后悬置结构的最终优化参数为：tr=9.7mm，ts=33.3mm，tz=46.4mm，θ=25.3°。
　　4 结束语
　　 本文上述分析中围绕汽车动力总成悬置结构橡胶元件设计及其优化问题进行分析与探讨，将神经网络、非线性有限元分析、以及遗传算法共同引入结构优化中，并结合实例将本方法应用于汽车动力总成后悬置结构1001050-080829优化实践中，取得了以下几个方面的结论：第一，针对汽车动力总成橡胶悬置结构实物，构建有限元模型，并通过计算橡胶三向刚度水平的方式，对比实验结果，证实有限元分析模型的正确性;第二，通过对比优化结果与实验参数的方式，证实引入神经网络、非线性有限元分析、以及遗传算法的橡胶悬置结构优化设计方案具有良好的可行性，可供同类工程参考应用。
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