汽車動(dòng)力總成橡膠懸置結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化研究

胥成東　許堅(jiān)　鄭思維　趙輝

摘? 要：文章圍繞汽車動(dòng)力總成橡膠懸置結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，針對(duì)汽車動(dòng)力總成橡膠懸置結(jié)構(gòu)實(shí)物，構(gòu)建有限元模型，并通過(guò)計(jì)算橡膠三向剛度水平的方式，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)有限元分析模型的正確性。在此基礎(chǔ)之上證實(shí)引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線性有限元分析、以及遺傳算法的橡膠懸置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有良好的可行性。

關(guān)鍵詞：汽車;動(dòng)力總成;橡膠;懸置結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U463.33? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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 橡膠懸置結(jié)構(gòu)概述

汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的主要目的是隔離汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)振動(dòng)噪音向汽車內(nèi)部的傳遞，是汽車內(nèi)部振動(dòng)噪音控制的關(guān)鍵所在。自1930年開始，橡膠懸置結(jié)構(gòu)被嘗試應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)隔離環(huán)節(jié)中。有關(guān)研究人員嘗試從六自由度解耦理論角度對(duì)橡膠懸置結(jié)構(gòu)隔振設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究，將動(dòng)力總成以及車架視作剛體，將橡膠塊作為彈簧，基于撞擊中心理論以及慣性主軸特性理論對(duì)懸置結(jié)構(gòu)位置以及剛度參數(shù)的選取進(jìn)行闡述，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)垂直方向固有振動(dòng)頻率應(yīng)控制在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)擾動(dòng)頻率的1/3，這一研究結(jié)論為橡膠懸置結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究奠定了理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)之上，有關(guān)研究中嘗試從懸置結(jié)構(gòu)空間限制、懸置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、固有振動(dòng)頻率、以及懸置結(jié)構(gòu)剛度水平等多個(gè)因素著手，探討改善懸置結(jié)構(gòu)隔振性能的有效措施，并從懸置結(jié)構(gòu)材料選擇、熱容量水平、使用壽命等方面對(duì)懸置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平進(jìn)行檢驗(yàn)。在上述研究結(jié)論的指導(dǎo)下，有關(guān)人員嘗試簡(jiǎn)化懸置結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，在結(jié)構(gòu)剛性條件下，形成基于六自由度的剛體-阻尼彈簧模型，促進(jìn)了懸置結(jié)構(gòu)研究成果的進(jìn)一步深入，并依托于有限元分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等多種理論的綜合應(yīng)用，為汽車動(dòng)力總成橡膠懸置結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要手段與依據(jù)。

2 橡膠懸置結(jié)構(gòu)有限元分析

以有限元模型為基礎(chǔ)，對(duì)模型施加荷載作用力以及邊界條件，分析橡膠懸置結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)偠忍匦裕⑼ㄟ^(guò)對(duì)比靜剛度以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方式，評(píng)估有限元模型正確性。選用ANSYS分析軟件，利用有限元模型對(duì)液壓懸置結(jié)構(gòu)不同軸向靜剛度值進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)于金屬臂施加沿X軸方向傳遞位移作用力，對(duì)固定約束條件下液壓懸置結(jié)構(gòu)支反力進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)支反力與位移比值的方式計(jì)算該方向所對(duì)應(yīng)靜剛度值。在此基礎(chǔ)之上，將動(dòng)力總成橡膠懸置結(jié)構(gòu)有限元模型導(dǎo)入ANSYS分析軟件中，定義MR材料模型，輸入?yún)?shù)C10、以及C01對(duì)橡膠材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并通過(guò)施加位移作用力以及固定約束的方式進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。按照上述步驟，對(duì)1.0mm、2.0mm、3.0mm以及4.0mm條件下不同軸向所對(duì)應(yīng)約束反力進(jìn)行計(jì)算，位移1.0mm條件下，仿真Fy值為58.442N，仿真Fz值為105.63N，仿真Fx值為118.31N;位移2.0mm條件下，仿真Fy值為116.87N，仿真Fz值為211.54N，仿真Fx值為240.38N;位移3.0mm條件下，仿真Fy值為175.25N，仿真Fz值為318.07N，仿真Fx值為365.86N;位移4.0mm條件下，仿真Fy值為233.57N，仿真Fz值為425.57N，仿真Fx值為493.95N。

3 橡膠懸置結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

橡膠懸置結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)不僅受橡膠材料性能的影響，同時(shí)也與結(jié)構(gòu)尺寸、 形式存在密切關(guān)聯(lián)性。因此，當(dāng)橡膠材料配方以及物理機(jī)械性能保持穩(wěn)定的情況下，如何對(duì)懸置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以與動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求相匹配，是保障系統(tǒng)隔振性能的關(guān)鍵所在。為達(dá)到懸置結(jié)構(gòu)優(yōu)化目的，嘗試引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線性有限元分析、以及遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化方法，利用三種方法各自優(yōu)勢(shì)，以得到可行區(qū)域內(nèi)彈性特性最佳狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量以及目標(biāo)參數(shù)。以下結(jié)合汽車動(dòng)力總成后懸置結(jié)構(gòu)1001050-080829實(shí)例，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線性有限元分析、以及遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化方法具體應(yīng)用步驟進(jìn)行闡述：

第一步，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本。訓(xùn)練樣本是構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的重要基礎(chǔ)，訓(xùn)練樣本數(shù)量及其合理分布能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)映射關(guān)系充分表現(xiàn)出來(lái)，基于正交實(shí)驗(yàn)法獲取數(shù)量盡可能少且呈均勻、全面分布的訓(xùn)練樣本。在汽車動(dòng)力總成橡膠后懸置結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，采用正交表L1644作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練樣本，總數(shù)量為16個(gè)，輸入變量為4個(gè)，單個(gè)因素水平為4，并結(jié)合有限元模型對(duì)不同方向剛度值進(jìn)行計(jì)算，以作為模型輸入變量。