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基于不确定性分析的汽车发动机悬置系统设计研究

作　者: 谢展
导　师: 于德介
学　校: 湖南大学
专　业: 机械工程
关键词: 悬置系统不确定性概率模型区间分析多目标优化稳健设计
分类号: U464.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着经济社会的不断进步以及汽车技术的不断发展和完善，汽车作为一种大众消费品越来越受到人们的欢迎。汽车的乘坐舒适性是消费者在驾驶和购买汽车过程中最直观的感受，而汽车NVH（Noise、Vibration and Harshness）技术是提高汽车乘坐舒适性的根本途径和方法。汽车发动机悬置系统是汽车的关键弹性隔振系统，对汽车的平顺性、安全性、乘坐舒适性等有着重要影响。因而，对汽车发动机悬置系统进行研究和设计受到了越来越多汽车研发工程师们的关注和重视。本文针对汽车发动机悬置系统中的参数不确定性问题，分别应用不确定性分析理论中的随机模型（即概率模型）和区间分析模型对其不确定性参数进行建模，将稳健设计和多目标设计相结合，提出提高汽车发动机悬置系统隔振性能的稳健优化设计方法。基于上述两种稳健优化设计方法，应用MATLAB数据处理软件建立了汽车发动机悬置系统的特性分析和稳健优化设计的软件平台，以便于后续的工程应用。本文的主要研究工作如下（1）建立了汽车发动机悬置系统的六自由度动力学模型，并在此基础之上计算得到了悬置系统的模态参数。模态参数的计算是汽车发动机悬置系统后续动力学计算的基础。为了反映悬置系统的动态特性，在目标函数中引入怠速工况下的动反力，而将模态参数作为约束条件。（2）应用不确定性分析理论中的概率模型对悬置刚度的不确定性进行描述和建模，并将稳健设计与多目标设计相结合，提出了基于概率分析的汽车发动机悬置系统稳健优化设计方法。该方法考虑了悬置刚度的不确定性，并假设其服从正态分布；通过拉丁超立方抽样得到动反力的稳健性函数，并将其作为Pareto多目标优化的目标函数向量组成部分；以解耦率和动反力最小为优化目标进行优化计算，应用遗传算法对优化模型进行全局寻优，找到所有Pareto最优解，并通过稳健性评价得到既优化又稳健的解。（3）应用不确定性分析理论中的区间分析模型对悬置刚度和悬置位置的不确定性进行描述，在区间分析理论的基础之上提出了基于区间分析的汽车发动机悬置系统稳健优化设计方法。该方法在区间数学模型的基础上建立悬置系统稳健优化模型，以动反力及其变化范围最小为目标函数，固有频率的合理配置为约束条件，悬置刚度为优化变量，并将悬置刚度和悬置位置的波动范围作为区间参数变量，对悬置系统进行稳健优化设计，以提高汽车发动机悬置系统的隔振性能。（4）应用MATLAB数据处理软件建立了汽车发动机悬置系统的验证分析和优化设计软件平台。考虑参数的不确定性后，汽车发动机悬置系统的设计是一件相当复杂的工作，并且许多工作具有简单重复的特点，因此开发出此软件平台具有实际工程意义。该软件平台主要是针对汽车发动机悬置系统的稳健设计，同时也包含了悬置系统的特性分析、灵敏度分析等功能。本文结合振动理论、不确定性分析理论、有限元理论以及多目标设计、稳健设计等设计思想，提出了汽车发动机悬置系统的稳健优化设计流程，并在此基础之上应用MATLAB数据处理软件建立了汽车发动机悬置系统的稳健设计平台，研究成果具有重要的工程应用价值。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-22
  1.1 选题背景与意义  12-14
  1.2 汽车发动机悬置系统设计方法的国内外研究现状  14-18
  1.3 不确定性理论的国内外研究现状  18-19
  1.4 本文研究思路及主要内容  19-21
    1.4.1 本文研究思路  19-20
    1.4.2 本文内容安排  20-21
  1.5 本章小结  21-22
第2章汽车发动机悬置系统设计的基本理论  22-33
  2.1 引言  22-24
    2.1.1 汽车发动机悬置系统的振动激励  22-23
    2.1.2 隔振原理  23-24
    2.1.3 汽车发动机悬置系统的功能要求  24
  2.2 汽车发动机悬置系统的动力学模型  24-29
    2.2.1 汽车发动机悬置系统的坐标系  24-25
    2.2.2 橡胶悬置元件的动力学模型  25-27
    2.2.3 汽车发动机悬置系统模态参数的求解  27-29
  2.3 悬置系统的优化设计  29-32
    2.3.1 目标函数  29-31
    2.3.2 约束条件  31-32
    2.3.3 设计变量  32
  2.4 本章小结  32-33
第3章不确定性分析的理论基础  33-47
  3.1 基本概念  33-34
  3.2 不确定性的来源  34-37
    3.2.1 系统的复杂性  34-35
    3.2.2 模型推理过程中的简化处理  35-36
    3.2.3 系统运行环境的变化  36
    3.2.4 机械零部件在加工、制造、安装等过程中的误差  36
    3.2.5 参数识别的偏差  36
    3.2.6 参数测量的误差  36-37
  3.3 不确定性信息的建模  37-46
    3.3.1 概率模型  37-39
    3.3.2 模糊模型  39-44
    3.3.3 区间分析模型  44-46
  3.4 本章小结  46-47
第4章基于概率分析的悬置系统多目标稳健优化设计  47-58
  4.1 引言  47-48
  4.2 随机模拟  48-50
    4.2.1 随机模拟的基本思想  48-49
    4.2.2 蒙特卡洛方法的分类  49
    4.2.3 大数法则和中心极限定理  49-50
  4.3 基于随机模拟的多目标稳健优化设计  50-52
  4.4 优化设计实例  52-56
    4.4.1 发动机悬置系统的相关计算参数  52-53
    4.4.2 发动机悬置系统动反力的计算  53-54
    4.4.3 发动机悬置系统解耦率的计算  54-55
    4.4.4 发动机悬置系统的优化计算  55-56
  4.5 本章小结  56-58
第5章基于区间分析的发动机悬置系统稳健优化设计  58-68
  5.1 引言  58
  5.2 区间分析中的区间扩张问题  58-61
    5.2.1 序关系处理方法  59-60
    5.2.2 一阶泰勒级数处理方法  60-61
  5.3 基于区间分析的发动机悬置系统稳健优化设计  61-63
  5.4 优化设计实例  63-67
    5.4.1 发动机悬置系统的相关参数  63-64
    5.4.2 汽车发动机悬置系统频率的合理配置  64-65
    5.4.3 汽车发动机悬置系统的优化计算  65-67
  5.5 本章小结  67-68
第6章汽车发动机悬置系统稳健设计软件平台开发  68-82
  6.1 汽车发动机悬置系统开发设计的一般流程  68-70
  6.2 软件平台的开发软件的选择及编程  70-73
    6.2.1 MATLAB 软件简介  70-72
    6.2.2 MATLAB 中 GUIDE 编程的过程  72
    6.2.3 MATLAB 中 GUIDE 编程的特点及优势  72-73
  6.3 汽车发动机悬置系统稳健设计软件平台的介绍  73-75
    6.3.1 软件平台的功能设计  73
    6.3.2 软件平台的界面设计  73-75
    6.3.3 软件平台的系统结构  75
  6.4 应用实例  75-80
    6.4.1 参数的输入  75-78
    6.4.2 固有特性分析  78
    6.4.3 能量解耦分析  78-79
    6.4.4 确定性优化分析  79
    6.4.5 不确定性优化分析  79-80
  6.5 本章小结  80-82
结论与展望  82-84
参考文献  84-89
致谢  89-90
附录 A 攻读学位期间发表和录用的论文目录  90-91
附录 B 汽车发动机悬置系统模态参数的计算程序  91

基于不确定性分析的汽车发动机悬置系统设计研究

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