基于减缩技术的整车振动建模方法研究与应用

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振动性能是车辆重要性能之一。在商用车“车辆轻量化”、“发动机低怠速化”大背景下,车辆结构柔性增强,怠速激振频率降低,两相冲击,使车辆振动倾向于恶化。本论文的研究聚焦于车辆振动性能开发的现实问题,顺应车辆振动研究领域“结构柔性化、计算高效率、连接非线性”的技术发展需求,提出一套基于减缩技术建立刚柔耦合整车振动模型的理论和方法。整个研究以模型减缩技术应用为主线。首先开展大型有限元结构的减缩。应用程序实现有限元模型的刚度矩阵识别、高维矩阵运算等,完成典型车辆结构的模型减缩。为进一步实现超大模型减缩精度和计算效率的平衡,提出在一次“小”比例Guyan减缩的基础上,再实施更高精度的IRS减缩,通过对初始减缩模型的二次甚至多次减缩逼近,从而达到在模型精度保证前提下自由度的进一步压缩。鉴于减缩过程计算量大,以减缩模型的重复利用为出发点,探讨了减缩模型的边界条件处理方法。包括最常用的固定边界条件、强制运动边界和耦合边界。研究发现对于固定边界条件,只有Guyan减缩模型能够重复利用;强制运动边界无论何种减缩方法,均需根据具体强制位移边界预先实施模型减缩,减缩模型无法做到重复利用;而对于耦合边界,减缩体可通过适当的动力学和运动学方程的约束还原原模型的动力学特征,重复利用是可行的。其次针对商用车的重要弹性元件——钢板弹簧,采用试验研究钢板弹簧的动静态刚度特性,发现迟滞环大小与加载作动幅值正相关,而受加载频率影响不大。在对标基础上,利用有限元方法对钢板弹簧迟滞特性的影响因素进行分析,表明板簧簧片间表面摩擦系数、切向阻尼、接触面积,以及轴荷对板簧迟滞特性有重要影响,并给出降低钢板弹簧片间摩擦的指导性建议。依据迟滞产生机理,论文进一步提出一种适用于车辆动力学仿真的钢板弹簧动态等效力学模型,并利用二自由度车辆模型探讨了钢板弹簧迟滞对平顺性的影响。指出减振器和板簧迟滞均有减少车辆振动的作用,但二者共存却可能使整车振动增大。对于上述矛盾,建议或在配置减振器的同时降低板簧迟滞,或在无减振器的情况下通过增大钢板弹簧迟滞来消减车辆振动烈度。为合理匹配动力总成悬置降低车辆怠速振动,提出在以减缩柔性体为基本支撑的整车状态下开展悬置优化的新思路。数值验证表明耦合模型与Adams整车模型响应一致,且具有更高的求解效率。耦合模型较传统六自由度模型蕴含更丰富的模态频率。同时,六自由度模型优化得到的悬置方案在整车耦合模型上表现不佳,车架端振动不降反升,与期望不符。最后借助于耦合模型和优化算法,以车架端振动最小为目标开展了动力总成悬置的优化匹配,使悬置车架端的振动水平得到降低。在上述工作基础之上,进一步将非线性钢板弹簧、主要结构减缩模型、悬架系统等集成耦合,推导出商用车整车振动动力学方程。构造跌落试验和过凸台等测试工况,对比仿真、试验响应数据。结果表明整车模型与实车相比时域响应趋势一致,频域能够反应主要特征,模型能够较好再现实车振动。模型构建方法具备实际应用价值。面对振动响应、振动疲劳计算的载荷难以直接测量的现实困境,论文将模型减缩与时域迭代反求相结合,凭借减缩模型计算高效的特点,通过“激励迭代修正”、“系统响应验算确认”的方式,向实际响应对照逼近。利用减缩模型,对含5%响应噪声的多段正弦和折线激励进行反求,最终验证所提出的方法对正则化参数不敏感,且具有较好的反求精度。最后以实际路测的车辆响应信号为目标,对模型实施载荷反求,在经过若干次迭代后,即可收敛为较好的激励结果。
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