基于MSC Nastran及整车模型的动力总成悬置解耦分析和优化方法

来源:用户上传      作者: 樊红光 昝建明 王卓

　　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，提出一种基于MSC Nastran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； MSC Nastran； 整车有限元模型
　　中图分类号： U463.33文献标志码： B
　　0引言
　　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.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[1].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MSC Nastran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.
　　1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[4].
　　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γ.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γjk=6l=1Mklkjlj6k=16l=1Mklkjlj （1）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.γjk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，即可求出能量解耦率矩阵.2基于整车模型的悬置解耦分析和优化方法2.1在MSC Nastran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MSC Nastran的SOL 200很方便，但是SOL 200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，解决这个问题有以下3种方法.
　　（1）用GPKE语句输出动力总成质心的模态动能到f06文件，通过编写第三方软件提取GPKE结果处理成解耦率，并判断解耦率是否满足要求.如果不满足，则再次调用SOL 200进行下一次优化；否则，终止MSC Nastran，由第三方软件提取出最后的优化结果.
　　（2）用GPKE输出动力总成质心的模态动能到f06文件，并使用DMAP语言提取处理后表达为SOL 200中的第三类响应DRESP3，从而可以被约束和优化目标卡片引用.
　　（3）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.
　　方法1由于涉及第三方软件与MSC Nastran的频繁交互，且需要进行文件操作，访问硬盘数据会极大地降低程序运行速度，计算效率低下.方法2需要编译DMAP程序，由于MSC Nastran各版本的细微差异，导致DMAP程序难以保证在各个版本上完全兼容；对使用该程序的工程师要求较高，不利于流程化；也存在进行文件操作，访问硬盘数据会极大地降低程序运行速度，计算效率低下的问题.方法3则避免前2种方法的缺点，只是编写DRESP2及其相关卡片较为复杂，但一次编写完成后，即可模板化、流程化，便于推广使用，因此，本文选择方法3.
　　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.
　　2.2约束条件和优化目标
　　2.2.1约束条件
　　动力总成悬置系统的隔振设计，其根本目的是最大限度的降低动力总成产生的激励向车身传递，即使动力系统与车身之间的振动能量传递率最小，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1/2.
　　（2）Lateral模态.动力总成在沿x平动方向上激励较小，因此主要保证在低频下有足够的刚度，以避免汽车在某些极限工况时动力总成在x平动方向上产生过大位移而与其他零部件发生碰撞.
　　（3）Fore/After模态.动力总成沿y轴平动方向上的振动容易与绕x方向上的扭转振动耦合，二者之间需要有一定的频率间隔；另外，还需考虑避免汽车在某些极限工况时动力总成在y平动方向上产生过大位移发生过大的移动. 　　（4）Bounce模态.动力总成沿z轴平动方向固有振动频率主要与整车的道路振动与噪声性能相关，沿z向平动的固有振动频率还应避开前悬同步跳动的Hop模态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怠速时发动机点火脉冲频率的1/2.
　　（6）Pitch模态.动力总成绕y方向的转动振动容易与绕x方向的扭转振动模态耦合，因此二者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模态固有频率.
　　（7）Yaw模态.动力总成绕z方向的转动振动通常容易与动力总成绕x方向的扭转振动模态耦合，因此二者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.
　　4结束语
　　针对将车身视为质量无穷大刚体的发动机悬置解耦的传统分析方法难以反映真实解耦率的弊端，提出一种基于整车有限元模型和MSC Nastran优化求解系列SOL 200，进行悬置解耦分析和优化的新方法，经方法验证和实例分析，证明该方法的正确性、可行性和有效性.表明在整车有限元模型基础上，使用MSC Nastran求解器SOL 200进行动力总成悬置解耦分析和优化是可行和有效的.参考文献：
　　[1]徐石安. 汽车动力总成弹性支承隔振的解耦方法[J]. 汽车工程， 1995， 17（4）： 198-204.
　　XU Shian. Vibration isolation and decoupling technique of engine-mount on vehicle[J]. Automotive Engineering， 1995， 17（4）： 198-204.
　　[2]阎红玉， 徐石安. 动力总成-悬置系统的能量法解耦及优化设计[J]. 汽车工程， 1993， 15（6）： 321-328.
　　YAN Hongyu， XU Shian. Energy method of decoupling and computer optimization of engine mounting system[J]. Automotive Engineering， 1993， 15（6）： 321-328.
　　[3]范让林， 黄元毅， 吕兆平. 汽车动力总成-悬置系统的简化及其启发[J]. 机械设计与制造， 2010， 4（4）： 8-10.
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