基于Isight和AMESim的液压减振器关键参数集成优化.pdf

2 0 1 5年 第 3 7卷 第 1期 汽车工程 Au t o mo t i v e En g i n e e r i n g 基于 I s i g h t 和 A ME S i m的液压减振器 关键参数集成优化 木 马天飞， 崔泽飞， 佟静 吉林 大学， 汽车仿真与控制 国家重点实验室 ， 长春1 3 0 0 2 2 2 01 5 01 8 [ 摘要] 在 A ME S i m中搭建 了某乘用车前悬架双筒充气式液压减振器 的仿真模型。以 I s i g h t 为平 台集成 A M E S i m， 对减振器模型参数进行 D O E分析， 提取对减振器性能影响较大的参数， 作为优化的设计变量。利用 I s i g h t 中的 P o i n t e r 智能求解器进行优化。结果表明， 经过集成优化后的减振器阻尼力曲线与 目标曲线吻合较好 ， 符合工 程实际的需要。与传统方法相比， 该方法缩短了时间， 提高了设计效率， 可用于指导减振器阀系参数的设计与性能 预测 。 关键词 减振器 ； I s i g h t ； AME S i m； 集成优化 I n t e g r a t e d Op t i mi z a t i o n o f t h e Ke y P a r a me t e r s o f Hy d r a u l i c S h o c k Ab s o r b e r B a s e d o n I s i g h t a n d AMEs i m S o f t wa r e M a Ti a n f e i ．Cu i Ze f e i＆ T o n g J i n g J i l i n U n i v e n i t y ，S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fA u t o m o t i v e S i m u l a t i o n a n d C o n t r o l ,C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2 [ A b s t r a c t ] A s i mu l a t i o n mo d e l f o r t h e t w i n - t u b e g a s c h a r g e d s h o c k a b s o r b e r for t h e f r o n t s u s p e n s i o n o f a c ar i s b u i l t ．Wi t h AMES i m i n t e g r a t e d i n t o I s i g h t p l a t f o r m ， t h e p a r a me t e r s o f s h o c k a b s o r b e r mo d e l a r e a n a l y z e d w i t h t h e d e s i g n o f e x p e r i me n t a n d t h e p a r a me t e r s h a v i n g t r o n g e r e ff e c t s o n t h e p e r f o rm a n c e o f s h o c k a b s o r b e r a r e e x t r a c t e d a s t h e d e s i g n p a r a me t e r s t o p e r f o rm o p t i mi z a t i o n w i t h i n t e l l i g e n t s o l v e r P o i n t e r i n I s i g h t ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d a mp i n g f o r c e e u r y e a g r e e s w e l l w i t h o b j e c t i v e c u r v e a f t e r o p t i mi z a t i o n ，m e e t i n g t h e r e q u i r e me n t s o f e n g i n e e r i n g p r a c t i c e ．C o mp a r e d wi th t r a d i t i o n al me t h o d ，t h e me t h o d p r o p o s e d s h o r t e n s the l e a d t i me，e n h a n c e s t h e d e s i g n e ff i c i e n c y，a n d c a n b e u s e d a s a g u i d e i n t h e d e s i g n o f v a l v e s y s t e m p a r a me t e r s a n d p e rf o rm a n c e p r e d i c t i o n o f s h o c k a b s o r be r ． Ke y wo r d ss ho c k a bs o r be r；I s i g ht ；AM ESi m ；i nt e g r a t e d o pt i mi z a t i o n 刚 吾 减振器是汽车悬架的重要组成部件， 其性能的 好坏直接影响车辆的平顺性、 安全性和操纵稳定性。 在设计与生产中， 阻尼特性是其最重要的指标。传 统的减振器设计模式是 以阻尼特性为参考指标 ， 通 过反复试验来得到减振器结构参数。这种设计模式 不仅周期长 ， 且 效率低 ， 产 品成本高。因此 ， 亟需一 种对减振器阻尼特性进行仿真并且以阻尼特性为目 标直接设计出减振器结构参数的方法 。 国内外学者已建立了减振器的多种仿真模型， 可分为物理参数模型、 等效参数化模型和非参数化 模型⋯。这些模型各有优缺点， 适用范围各不相同。 较具代表性的有文献[ 2 ] 中建立的包含 8 3个参数 的 减振器集总参数模型， 用于研究高频畸变问题， 但模 型过于复杂 ， 且所需参数依赖于实验测试 ； 文献 [ 3 ] 中建立的由弹性元件、 阻尼元件 、 摩擦元件和间隙元 件等组成的等效参数模型， 用于汽车系统动力学和 振动仿真分析， 但其仿真结果仅适用于低频工况； 在 吉林省科技支撑计划项目 2 0 1 0 6 0 0 3 资助。 原稿收到日期为 2 0 1 2 年 1 2月2 1日， 修改稿收到 日 期为 2 0 1 3 年 4 月 1 0日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 汽车工程 2 0 1 5年 第 3 7卷 第 1 期 国内， 文献[ 4 ] 中利用等效线性阻尼的方法， 提出分 段线性模型； 文献[ 5 ] 和文献[ 6 ] 中利用 A M E S im研 究了滑阀式和位移相关减振器的阻尼特性。这些模 型在减振器开发初期可以较好地预测减振器性能。 但根据减振器 的目标阻尼特性直接设计出阀系结构 参数的研究较少。目 前 ， 较常见的做法是先建立减 振器阻尼特性的数学模型， 再利用 M a fl a b软件编程 实现其阻尼特性的仿真和优化 J 。这种方法的不足 是 ， 仿真程序只能针对某一种类型的减振器， 且实现 过程较复杂。 ． 本文中运用 A ME S i m软件建立某减振器的仿真 模型， 以优化设计软件I s i g h t 为平台集成 A M E S i m模 型， 对模型参数进行 D O E分析， 提取设计变量进行 优化。整个过程简单易实现， 且充分发挥了两个软 件的各 自优势 。 1 液压减振器 A M E S i m模型 1 ． 1 减振器的力学模型 该液压减振器结构如图1 所示。减振器的工作 过程分复原行程和压缩行程。随工况的不同减振器 内部阀系处于不同状态， 液压油流动情况也有所不 同， 使减振器表现出不同的外特性。 孔 图 1 液压减振器结构 对于复原行程， 活塞上I 复原阀片、 底阀上补偿 阀片的缝隙节流和常通孔的节流作用产生了减振器 复原行程的阻尼力。对于压缩行程， 底阀上压缩阀 片 、 活塞上流通阀片的缝隙节流和常通孔 的节流作 用产生了减振器压缩行程的阻尼力。此外， 底阀和 活塞上的一些小孔、 工作缸与活塞之间的缝隙、 摩擦 力、 气体反弹力等因素也会产生阻尼力。根据以上 分析， 可得减振器液力系统图如图2 所示。 图中包括 了减振器复原阀总成和压缩阀总成的 图2 减振器液力系统图 组成部分及减振器上腔、 下腔和充入低压氮气的储 液缸。其中， V o 、 p 。 为储液缸中充人气体的体积和压 力； V 1 为减振器上腔油液的体积和压力； v 2 、 P 2 为 减振器下腔油液的体积和压力； v 3 、 P 为储液缸油液 的体积和压力； A 为流通阀等效截面积； A 、 A 为活 塞上的内圈和外圈孔的等效截面积； 、 A 为复原阀 和压缩阀阀片常通孔等效截面积； A 为复原阀开启 后与活塞之间缝隙的等效截面积； 为压缩阀开启 后与底阀之间缝隙的等效截面积； A 、 A 。 为底阀上 内圈和外圈孑 L 的等效截面积。 1 ． 2 减振器 A ME S i m模型 基于减振器液力系统图， 运用 A M E S i m建立了 该减振器的仿真模型， 如图3 所示， 主要参数如表 1 所示。 图3 液压减振器 A M E S i m仿真模型 模型 中包括减振器的上腔、 下腔 、 补偿腔和各种 阀系模型， 同时考虑了泄漏和气体反弹力的影响。 复 原阀 总成 压 缩阀 总成 ] ● ／ ， ＼ - ． ]] ， ● ／ ＼ ． ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 V o 1 ． 3 7 N o ． 1 马天飞 ， 等 基于 I s i g h t 和 A ME S i m的液压减振器关键参数集成优化 9 9 表 1 仿真模型主要参数 活塞直径／ ram 3 2 活塞杆直径／ ram 2 2 油液密度／ k g ,／ m 8 4 5 ． 5 活塞缝隙／ ra m 0 ． 0 4 绝对黏度／ c p 2 0 ． 7 6 体积模量／ M P a l 7 0 0 油液温度／ C 2 0 补偿腔 内径／ mm 4 5 ． 8 复原阀阀片和压缩 O ．4 阀阀片最大升程／ m m J L K模拟了活塞和底 阀上 的小孔 ， 利用 B H 0 0 1 3短管 子模型进行计算； C T K模拟复原阀和压缩阀片上的 常通孔 ， 采用 B H 0 0 1 l 固定阻尼孔计算； F Y F用来模 拟复原阀， 其中弹簧采用 S P R 0 0 3 A可变刚度弹簧子 模型 ； L T F和 B C F分别模 拟 了减振器 的流通 阀和补 偿阀， 它们都为无预紧力的单向阀。Y S F模拟了减 振器的压缩阀， 仍采用变刚度弹簧子模型； C Y G模 拟了减振器的储液缸， 其下面是油液， 上面充满了低 压氮气， 这样可以增大补偿腔向减振器下腔的回油 能力 ， 同时可减小噪声。M B Q X元件 内部输 入了减 振器阻尼力 目标曲线 ， 用于后期优化 过程 中目标函 数的确定。 ． 1 ． 3 AME S i m 仿真模型验证 。 仿真与试验的输入都依据减振器台架试验标准 Q C ／ T 5 4 5 ， 将减振器放置在 2 O ℃的恒温环境中进行 测试 ， 采用正弦激励的方式， 振幅为 5 0 ra m， 频率为 1 ． 6 7 H z 。仿真得出该减振器示功图 力一 位移曲线 与通过在 MT S试验 台上对 同一根减振器在 相同的 条件下测试 3次得出试验示功图如图 4所示。 量 位移／ n u n 图4 液压减振器仿真与试验示功图 由图可见， 仿真示功图圆滑饱满， 与试验曲线形 状相似， 大小相近， 说明仿真与试验结果较为一致。 减振器 3 次阻尼力试验数据的平均值与仿真数据最 大差值为 5 7 N， 最大相对误差为 7 ． 2 ％， 符合工程实 际需要。其 中误 差 主 要 来 源 是 模 型 简 化。 由于 A M E S i m属于一维软件， 对系统的结构特征进行 了 相应的等效处理， 不能像有限元软件那样准确地反 映出结构特征 ， 必然会产生误差。 2 减振器关键参数优化 2 ． 1 减振器关键参数的 DOE分析 为找出对减振器阻尼特性影响较大的参数， 对 减振器模型参数进行 D O E分析， 其中主要是阀系参 数。首先利用 A ME S i m 中的 E x p o r t 模块导 出 1 2个 需要研究的参数， 如表2所示。 表 2 减振器模型导 出参数 导出参数 含义 初始值 C ／ mm 活塞与工作缸间隙 0 ． 0 4 D 1 ／ m m 复原阀常通孔直径 O ． 6 D o ／ m m 压缩阀常通孔直径 0 ． 6 F 1 ／ N 复原阀预紧力 1 2 5 F 2 ／ N 压缩阀预紧力 5 0 M／ k g ／ m。 油液密度 8 4 5 ． 5 N ／ c p 油液黏度 2 O ． 7 6 P ／ MP a 充气压力 0 ． 6 P l ／ MP a 流通阀开阀压力 0 ． 2 ／ M P a 补偿阀开阀压力 0 ． 1 5 S 1 ／ mm 活塞孔直径 5 S 2 ／ mm 底阀孔直径 5 将仿真阻尼力曲线与目标阻尼力曲线差值平方 的最大值作为输出。下面利用 I s i g h t 集成 A ME S i m， 集成 流程如图 5所示。 输入 调用A MEP i l o t 输出 图 5 I s i g h t 集成 A ME S i m流程图 整个流程 由 D O E组件来 驱动 执行。A ME P i l o t 工具可 以从外部调用 A ME S i m模 型进行计算 ， 运行 结果保存在输出文件中。对每个参数 因子 取两 水平值， 采用正交数组法进行计算， 进行 6 4次试验， 得出各 因子对输 出影响的 P A R E T O图如图 6所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 0 汽车工程 2 0 1 5年 第3 7卷 第 1 期 图6 各 子对输出影响的 P A R E T O罔 从图中可以看出各因子对减振 器阻尼特性 的影 响程度 的大小 ， 其 中 F ． 、 F 、 C、 D． 、 D 、 P、 P ，和 Ⅳ对 减振器阻尼力的输出影响较大。其中油液黏度 在 设计 中不易控制 ， 且在实际工作中受温度的影响 比 较大， 不易选作优化设计变量； 而补偿阀开阀压力 P 一般都很小 ， 经过仿 真计算 发现 ， 如果控制 不好 将会使减振器示功图产生畸变 即阻尼力在某一区 间突然变得很小 ， 因此本文中不将它作为下一步优 化过程中的设计变量 。 2 ． 2 减振器关键参数优化 根据上 述 的 D O E分 析结 果 ， 选取 F ， 、 、 D， 、 D 、 尸和 C 6个参数作为设计变量。AME S i m中目标 函数设为 g l o b m a x e r r o r ， 其中 e r r o r表示 仿真阻尼 力曲线与 目标阻尼力 曲线差值的平方 ， 令 目标 函数 为最小。 目标阻尼力 曲线 由企业提供 ， 该 曲线实 际 是对某成熟车型的减振器试验过程 中测得的一组数 据 ， 再利用 Ma t l a b进行线性 插值处理 得到 的， 因此 目标阻尼力 曲线和示功 图并不 圆滑 。I s i g h t 软件集 成优化过程的流程如图 7所示 ， 以 P o i n t e r 优化求解 器驱动整个流程。首先从 A ME S i m 中导 出包含设计 变量及其初值的数据文件 d a mp e r ． i n ， 利用 A M E p i l o t 从外部调用减振 器仿真模 型文件 d a mp e r ． a me进行 运算 ， 结果保存在 d a mp e r ． o u t 文件中， P o i n t e r 优化求 解器读取 d a m p e r ． o u t 文件数据 ， 执行下一次的迭代 ， 从而改变 d a mp e r ． i n文件 中设计变量 的值 ， 如此循 输入 调用AME P i l o t 输出 图 7 I s i g h t 优化 流程 图 环往复， 直到满足 目标要求 ， 优化结束 。 P o i n t e r 优化求解器是 I s i g h t 提供 的智能 自动优 化专家 ， 包括 4种优化算法 的组合 线性 单纯形法 、 序列二次规划法 、 最速下 降法和遗传算法。P o i n t e r 求解器会 自动捕捉设计空 间的信息 ， 自动组合 4种 优化算法 ， 从而得 到一个最佳 的优化策略。启动优 化 ， 经过 9 2 7次的运算后 ， P o i n t e r 求解器找到的最佳 解决方案如表 3所示。将汁算所得 出最优结果引入 减振器 A ME S i m模型 中， 绘 出优化后的阻尼力特性 曲线 ， 并与 目标阻尼力特性 曲线和原始阻尼力特性 曲线进行对 比， 如图 8所示。示功 图比较如图 9所 示 。速度特性曲线 比较如图 l 0所示。 表 3 优化后结果 参数 初始值 优化值 圆整值 DI ／ram O 6 0 0 ． 5 5 0 7 4 0 ． 5 5 D ／ mm 0 ． 6 0 0． 5 7 3 5 9 0 ． 5 7 ／ N l 2 5 6 4． 8 6 7 3 5 6 5 |I|f ／ N 5 0 1 0 9． 6 7 3 0 8 l 1 0 一 C， in n | 0 ． 0 4 0 ． 0 2 0 9 0 O ． 0 2 ， J ／ MP a 0 ． 6 0． 4 8l 0 2 O ． 5 Z R 凹 西 时间／ s 图 8 阻尼 力曲线对 比 位移／ m 图 9 减振器示功图 曲线对 比 通过图 8和图 9可 以看出， 优化后的阻尼力 曲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 马天飞， 等 基于 I s i g h t 和 A ME S i m的液压减振器关键参数集成优化 R 墨 ⋯ 初始速度特性 一’ 优化后速度特性 ； 一 目标速度特性 ． - 一 ， ， i ． 一 庐 ‘ ， 速度／ r n ／ s 图 1 0 减振器速度特性曲线对比 线和 目标曲线吻合 良好 ， 示功图圆滑饱满 ， 无畸变现 象发生， 符合工程实际的需要。通过图 1 O可以看出 优化后 的速度特性 曲线拐点分 明， 最大阻尼力和最 小阻尼力均与 目标阻尼值相符。 为满足工程实际需要， 将优化所得的结果进行 圆整， 如表 3所示。将圆整后的数值代入 A M E S im 模型进行计算 ， 绘 出阻尼力特性曲线 ， 并与 目标阻尼 力特性曲线进行对比， 如图 1 1 所示。示功图比较如 图 1 2所示。 童 脚 盛 ＼ ⋯ - 数 据 圆 整 后 阻 尼 力 一 目 标 阻 尼 力 f 、 r L 。 i． ＼ ／ ＼ ； ， ‰ ／ ； I _ T l 1 - O O ． 1 O O ． 2 0 0 - 3 O 0．4 0 0 ． 5 O O ．6 O 0． 时间／ s 图 1 1 参数圆整后的阻尼特性曲线与目标曲线对比 ’通过 图 1 l和图 1 2可 以看 出， 数据 圆整后 的阻 尼力曲线与示功 图并未发生较大变化 ， 且与 目标 曲 线依然吻合良好。因此， 可以认为优化后的阀系参 数能够使减振器阻尼特性满足工程实际的需要。 1 ． 5 1 ． 0 0 ． 5 O ． O 一0 ． 5 ．1 ． 0 。 。 1 ’ i ＼ I ⋯- 数据圆整后示】 b 图 一 目标 功幽 ， ． ， 枣 ■ 一0 ． 0 4 0 0 ．0 2 0 0 0．0 2 0 0．O 4 0 位移， m 图 1 2 圆整后示功图与 目标示功图对比 3 结论 运用 A ME S i m建立 了液压减振器 的仿真模 型， 以优化设计软件 I s i g h t 集成 A M E S i m， 对模 型进行了 D O E分析与优化设计。得出以下结论 。 1 运用 A M E S i m软件建立液压减振器仿真模 型并利用试验进行验证 ， 表明模型正确可信。 2 利用A M E S i m与I s ig h t 软件进行联合仿真， 可方便地获得减振器阀系参数 的最优 匹配方案 ， 对 减振器实际设计和生产具有指导意义。 参考文献 [ 1 ] 李世民， 吕振华． 汽车筒式液阻减振器技术的发展[ J ] ． 汽车技 术 ， 2 0 0 1 8 1 0 一 l 6 ． [ 2 ] L a n g H H ．A S t u d y o f t h e C h a r a c t e r i s t i c s o f A u t o m o t i v e Hy d r a u l i c D a m p e r s a t H i g } l S t r o k i n g F r e q u e n c i e s [ D ] ． U S A t h e U n i v e r s i t y o f Mi c h i g a n， 1 9 7 7 ． [ 3 ] K a r a d a y i R ，M a s a d a G Y ．A N o n l i n e a r S h o c k A b s o r b e r M o d e l [ J ] ． A S M E ， 1 9 8 9 ， 1 2 1 4 9 - 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