基于車體動(dòng)態(tài)特性的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置優(yōu)化

張志飛，倪新帥，徐中明，余 烽

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030;2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030)

全地形車由于行駛路況比較復(fù)雜，因而對(duì)其動(dòng)態(tài)性能提出了很高的要求。全地形車車架掛發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱為車體)動(dòng)態(tài)特性的好壞，很大程度上決定其整車振動(dòng)舒適性及可靠性。因此改善車體的動(dòng)態(tài)特性是提高全地形車舒適性和安全性的關(guān)鍵。目前對(duì)于改善車體動(dòng)態(tài)特性的研究主要集中在對(duì)車架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方面，如改變車架的板厚和管徑［1－3］以及在車架薄弱位置添加加強(qiáng)板［4－5］等，很少考慮優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置及俯仰角度。

形狀優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中一個(gè)重要分支，工程中應(yīng)用廣泛。如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片形狀、大型壓力容器、機(jī)器支架及開(kāi)孔板結(jié)構(gòu)的形狀、大型水壩形狀等。文獻(xiàn)［6－7］利用形狀優(yōu)化的方法對(duì)車身地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使車內(nèi)噪聲傳遞函數(shù)方均根值降低了2 dB，改善了車內(nèi)噪聲;文獻(xiàn)［8］利用形狀優(yōu)化的方法對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的弦長(zhǎng)、扭角和相對(duì)厚度進(jìn)行了優(yōu)化;文獻(xiàn)［9］發(fā)展了一種基于CFD技術(shù)的數(shù)值優(yōu)化方法，對(duì)離心壓縮機(jī)進(jìn)氣室?guī)缀涡螤钸M(jìn)行了優(yōu)化。

本文在對(duì)全地形車車體進(jìn)行模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，利用形狀優(yōu)化方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在車架上的安裝位置與俯仰角度進(jìn)行優(yōu)化，改善了車體的動(dòng)態(tài)特性，為在設(shè)計(jì)階段和改進(jìn)階段解決發(fā)動(dòng)機(jī)在車架上的布局問(wèn)題，提供了指導(dǎo)。

1 全地形車車體模態(tài)分析

1.1 車體計(jì)算模態(tài)分析

首先利用HyperMesh軟件建立全地形車車體的有限元模型，然后運(yùn)用MSC.Nastran軟件進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析。該車車架的主要結(jié)構(gòu)為鋼板、圓管，其厚度與長(zhǎng)度和截面尺寸相比很小，故采用shell單元進(jìn)行模擬，大小為6 mm。橫梁與縱梁之間多為點(diǎn)焊，用一維單元RBE2模擬。在建模過(guò)程中作一些簡(jiǎn)化，忽略對(duì)車架模態(tài)影響很小的如座椅支承座、貨架支承座及前后懸架支承座等附件。

在車架有限元模型的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［10］的方法將發(fā)動(dòng)機(jī)(含離合器、變速器、分動(dòng)器)簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)心、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與該車發(fā)動(dòng)機(jī)均相等的長(zhǎng)方體，并網(wǎng)格化，通過(guò)SPRING單元將發(fā)動(dòng)機(jī)與建立在車架上的MPC單元連接，模擬車架掛發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)。建立車架掛發(fā)動(dòng)機(jī)總成的有限元模型如圖1所示。

圖1 全地形車車架掛發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型Fig.1 Finite element model of ATV bodywork

圖2 全地形車車體的一階模態(tài)振型圖Fig.2 The first modal shape of ATV bodywork

對(duì)于全地形車而言，由于其車速不高，因此較關(guān)心車體的低階模態(tài)。利用蘭索士法提取車體前五階自由模態(tài)，見(jiàn)表1，圖2為車體的一階模態(tài)振型。

由于在車體有限元建模過(guò)程中有許多假設(shè)與簡(jiǎn)化，因此模型的準(zhǔn)確性需要通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)檢驗(yàn)。

1.2 車體試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析即通過(guò)對(duì)系統(tǒng)施加某種激勵(lì)，測(cè)出響應(yīng)，根據(jù)頻率響應(yīng)函數(shù)識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析可用于驗(yàn)證計(jì)算模態(tài)分析的準(zhǔn)確性。

利用LMS模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。該車的車體采用鋼管焊接結(jié)構(gòu)，具有良好的線性特性，因此在進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)時(shí)采用力錘激勵(lì)。為模擬自由狀態(tài)，將車體用軟橡皮繩懸掛起來(lái)。根據(jù)車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)多次預(yù)試驗(yàn)，最后選定的試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3所示。

圖3 全地形車車架掛發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 The measured points of ATV bodywork

解析法和試驗(yàn)法的模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表1，對(duì)比表明，二者頻率接近而且振型一致，誤差滿足工程參考要求。同時(shí)也證明了車體建模準(zhǔn)確，可以作為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)模型。

表1 全地形車車體前五階模態(tài)分析結(jié)果Tab.1 The first five modes of ATV bodywork

1.3 車體動(dòng)態(tài)性能分析

全地形車在行駛的過(guò)程中，激勵(lì)來(lái)自路面不平度及發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)盡量避免激勵(lì)頻率與車體固有頻率的耦合，從而提高乘坐的舒適性與車體的可靠性。

全地形車以車速v(km/h)行駛在不平度波長(zhǎng)為λ(m)的路面時(shí)，時(shí)間頻率f(Hz)為:

f=v/(3.6λ)

各種路面的不平度波長(zhǎng)［11］如表2所示。

表2 不同路面的不平度波長(zhǎng)(m)Tab.2 The irregularity wavelength of several road surfaces(m)

以該款全地形車的最高車速70 km/h為準(zhǔn)，取路面不平度波長(zhǎng)為最小值0.32 m，求得路面可能產(chǎn)生的最高激勵(lì)頻率為f=60.76 Hz，大幅低于車體的一階固有頻率76.9 Hz，所以路面不平度的激勵(lì)不會(huì)引起車體共振。

作為整車的主要振源，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)很大程度上影響到車體的動(dòng)態(tài)性能。該款全地形車采用單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，常用工作轉(zhuǎn)速為:3 000 r/min～8 000 r/min。往復(fù)慣性力的基頻為:f1=n/60;其中n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)一階往復(fù)慣性力頻率為:50 Hz～133 Hz。該款全地形車車體的一階彎曲頻率為154.0 Hz，理論上正常行駛時(shí)不會(huì)出現(xiàn)車體共振。但文獻(xiàn)［5］的研究表明，摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)對(duì)車體側(cè)彎與扭轉(zhuǎn)振型也有較大影響。該車扭轉(zhuǎn)振型頻率為76.9 Hz，處于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的頻率范圍內(nèi)，因此需要提高該階模態(tài)頻率，以改進(jìn)原車動(dòng)態(tài)特性。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置與安裝角度優(yōu)化

全地形車車體是整車的骨架，其振動(dòng)特性影響整車的動(dòng)態(tài)特性。由上述的分析可知，該款全地形車車體的一階模態(tài)頻率偏低。文獻(xiàn)［12］的研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝方式對(duì)掛發(fā)動(dòng)機(jī)的車體結(jié)構(gòu)特性影響很大，故本文提出通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置及俯仰角度改善車體的動(dòng)態(tài)特性。

2.1 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化是建立在最優(yōu)化理論和有限元分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)約束條件，求解滿足約束要求的某種性能達(dá)到最佳構(gòu)形的優(yōu)化方法。形狀優(yōu)化所研究的問(wèn)題可以分為四種:①在可行集合中尋找出最優(yōu)形狀;②找出給定形狀的最好位置;③識(shí)別區(qū)域的邊界，稱為形狀識(shí)別問(wèn)題;④為自由邊界問(wèn)題。全地形車發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置和俯仰角度的優(yōu)化所涉及的為第二類問(wèn)題，故本文利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件OptiStruct的形狀優(yōu)化功能來(lái)解決發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置和俯仰角度的優(yōu)化問(wèn)題。

OptiStruct軟件求解形狀優(yōu)化問(wèn)題的基本方法是:首先在有限元模型上定義若干控制點(diǎn)和相應(yīng)的域，通過(guò)改變控制點(diǎn)位置調(diào)整域的形狀與空間位置，從而生成相應(yīng)的擾動(dòng)矢量Di用于定義與原始網(wǎng)格相關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的改變。由此，結(jié)構(gòu)的形狀改變就可以被定義為擾動(dòng)矢量的線性組合，即:

式中:X為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)矢量，X0為節(jié)點(diǎn)初始的坐標(biāo)矢量，Pi為設(shè)計(jì)變量，為擾動(dòng)矢量Di對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子，一般取值在－1～1之間。

在優(yōu)化迭代過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量Pi值不斷調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置，使結(jié)構(gòu)形狀的發(fā)生改變，以得到最佳的結(jié)構(gòu)形狀。

2.2 建立優(yōu)化模型

優(yōu)化問(wèn)題有三要素:優(yōu)化目標(biāo)、約束條件及設(shè)計(jì)變量。本文優(yōu)化目標(biāo)為車體一階模態(tài)頻率f1最大化。約束條件為:車體二～五階模態(tài)頻率(f2～f5)不小于原車頻率。

在建立設(shè)計(jì)變量之前，首先用HyperMorph模塊建立一個(gè)包含發(fā)動(dòng)機(jī)所有單元的3D域及相應(yīng)的8個(gè)控制點(diǎn)，通過(guò)這些控制點(diǎn)的位置改變生成四個(gè)擾動(dòng)矢量Di，分別為:發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于車架沿前后方向剛體平移50 mm的擾動(dòng)矢量D1、沿左右方向剛體平移50 mm的擾動(dòng)矢量D2、沿上下方向剛體平移50 mm的擾動(dòng)矢量D3和繞車架橫向旋轉(zhuǎn)15°的擾動(dòng)矢量D4。將四個(gè)擾動(dòng)矢量Di對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子Pi定義為設(shè)計(jì)變量。發(fā)動(dòng)機(jī)沿前后方向平移的擾動(dòng)矢量D1如圖4，各設(shè)計(jì)變量變化范圍詳見(jiàn)表3。

表3 設(shè)計(jì)變量Tab.3 Design variables

所建立的車體形狀優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為:

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)沿前后方向平移的擾動(dòng)矢量Fig.4 The disturbance vector of engine translating in anterior/posterior direction

式中:P為設(shè)計(jì)變量，fi(P)為響應(yīng)函數(shù)。

優(yōu)化模型建立后，提交OptiStruct進(jìn)行形狀優(yōu)化計(jì)算。

2.3 優(yōu)化結(jié)果

響應(yīng)量?jī)?yōu)化前后結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4:優(yōu)化后車體一階模態(tài)頻率提高了4.9 Hz，其他四階頻率的變化較小，在一定程度上改善了車體的動(dòng)態(tài)特性。

表4 響應(yīng)量的優(yōu)化結(jié)果Tab.4 The optimization results of responses

設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表5。優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)在車架上安裝位置和俯仰角度的改變?yōu)?向后平移17 mm，向右平移40 mm，向上平移1.5 mm，繞橫向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)10.2°。優(yōu)化后的車體模型如圖5所示。

表5 設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果Tab.5 The optimization results of design variables

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，車體的一階模態(tài)頻率有所提高，動(dòng)態(tài)特性得以改善。由于受到改動(dòng)范圍的限制，優(yōu)化效果不是非常明顯。如果在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置及俯仰角度優(yōu)化，效果會(huì)更好。

圖5 優(yōu)化后車體模型Fig.5 The optimized ATV bodywork

3 結(jié)論

為改善全地形車車體的動(dòng)態(tài)特性，以有限元模型為基礎(chǔ)，利用形狀優(yōu)化的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在車架上的安裝位置及俯仰角度進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明:通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置與俯仰角度可改善車體的動(dòng)態(tài)特性;在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化中，形狀優(yōu)化方法是可行與有效的;但優(yōu)化的結(jié)果尚需試驗(yàn)的驗(yàn)證。

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