整车随机非线性动力模型建立及车内噪声控制研究

摘要

随着社会的发展，降低汽车噪声对环境的影响越来越受到人们的重视。根据噪声影响对象的不同，汽车噪声可分为车外噪声和车内噪声。车外噪声主要影响汽车外部环境，而车内噪声则直接影响汽车的声学舒适性，因此很多新车型的开发中都将车内噪声特性的设计、优化和控制作为整个轿车开发中的一个重要步骤和环节。由于车内噪声主要是由发动机和路面激励引起，为了研究其动态特性，必须对整车的动力学特性进行研究。为此本文以某轿车为例，建立包含车内流体的整车流固耦合非线性模型，并对车内噪声进行分析，主要研究内容包括以下几个方面：通过对轿车副车架与车身之间橡胶支承进行动力学试验和理论分析，发现在不同激励频率和振幅下橡胶支承的力—位移曲线具有明显的迟滞特性，且迟滞恢复力可以分解成非迟滞非线性弹性恢复力和纯迟滞非线性阻尼力两部分，并可用多项式和类椭圆函数分别进行模拟，据此本文提出了橡胶支承系统的数学模型，并对参数进行了辨识。用所建模型重构恢复力—位移迟滞回线，与试验结果的比较表明，该模型能很好地描述橡胶支承的动态特性，说明用多项式和类椭圆函数来模拟轿车中前桥橡胶支承的迟滞特性是可行的。为了研究车内噪声问题，必须考虑车内空腔流体的振动特性及对车身振动特性的影响。为此，本文采用有限单元法对车身结构、车内空腔流体以及两者耦合系统模型进行模态分析，并对计算结果进行分析对比。通过该项研究得到车身结构与车内声场耦合子结构在广义坐标下的运动方程，为用自由界面模态综合法建立整车模型奠定基础。由于整车结构复杂，故采用包括软子结构在内的动态子结构方法，把整车模型划分为多个子结构，包括动力总成子结构、副车架子结构、车身与车内声场耦合子结构、非簧载质量子结构及多个线性和非线性软子结构等。采用自由界面模态综合法，建立整车结构—车内声场流固耦合动力学模型。对于车身与车内声场耦合子结构，由于其质量和刚度矩阵为非对称矩阵，传统的模态叠加法不能应用到耦合系统中，本文引入了左特征向量的概念，用左特征向量左乘原方程，使耦合系统微分方程得到解耦。考虑到副车架与车身之间橡胶支承的滞后特性，故整车系统动力学模型具有非线性特性。在已建立的总系统动力学模型基础上，采用Monto Carlo法模拟路面激励谱和发动机随机激励力谱，利用整车结构—声学耦合系统的非线性动力学方程，在时域内对路面激励和发动机激励产生的汽车振动和车内空腔的声压进行仿真模拟，并在实验室液压伺服振动台和实际道路上进行相似工况的试验测试。对比结果表明，台架和发动机怠速时线性总声压级的最大相对误差为6.8％，说明本文所建整车流固耦合模型具有足够的精确性。最后，为了合理选取橡胶特性参数使汽车的振动特性与车内噪声达到最优，本文采用理想最优控制和准最优控制理论对整车的振动与车内噪声特性进行研究，并对控制前后的仿真结果进行比较，提出准最优控制是一种具有良好综合使用性能的控制方法。关键词：噪声 橡胶支承 迟滞特性 非线性 动态子结构 模态综合法 有限单元法 流固耦合 最优控制 准最优控制

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究动态

1.2.1汽车车内噪声研究

1.2.2考虑橡胶非线性特性

1.2.3滞后非线性动力学研究

1.2.4动态子结构法

1.2.5随机最优控制研究

1.3本文研究内容

第二章 副车架橡胶支承迟滞特性数学建模和参数辨识

2.1引言

2.2橡胶元件动态特性测试方法

2.3橡胶支承元件数学建模

2.4橡胶支承元件参数辨识

2.5橡胶支承系统模型验证

2.6小结

第三章 车身结构与车内空腔声固耦合系统模态分析

3.1引言

3.2声学理论基础

3.2.1声波方程

3.2.2噪声的客观量度及其频谱分析

3.2.3噪声的主观量度和计权声级

3.3流体-结构耦合有限元模型建立

3.3.1实体模型建立

3.3.2有限元模型建立

3.4流体-结构耦合的动力学方程

3.5耦合系统的模态分析

3.5.1车身结构的模态分析

3.5.2车室空腔的模态分析

3.5.3耦合系统的模态分析

3.6小结

第四章 具有连接子结构的模态综合法建立整车非线性耦合系统模型

4.1引言

4.2具有线性和非线性连接子结构的模态综合法动力学原理

4.3整车刚弹声耦合系统子结构的划分

4.3.1发动机子结构的振动模型

4.3.2副车架子结构

4.3.3车身与车内流体声固耦合子结构

4.3.4非簧载质量子结构

4.3.5线性和非线性连接子结构

4.4整车刚弹声耦合系统非线性模型建立

4.5小结

第五章 整车振动噪声仿真计算与试验验证

5.1引言

5.2整车外激励力分析

5.2.1路面随机激励

5.2.2发动机激励

5.2.3 Monto Carlo法模拟随机谱

5.3整车振动噪声仿真计算

5.3.1整车状态方程

5.3.2实例分析

5.4试验研究

5.4.1试验目的

5.4.2室内台架试验方案

5.4.3道路试验方案

5.5计算结果与试验结果对比分析

5.5.1与台架激振试验对比

5.5.2与发动机单独激振试验对比

5.5.3与道路试验对比

5.6本章小结

第六章 整车系统的随机最优控制研究

6.1引言

6.2施加控制前整车系统在发动机和路面激励下的动力学分析

6.2.1分析方法

6.2.2实例分析

6.3整车系统在发动机和路面激励下的理想最优控制

6.3.1整车系统在发动机确定性荷载作用下的理想最优控制

6.3.2整车系统在发动机和路面随机荷载作用下的理想最优控制程

6.3.3实例分析

6.4整车系统在发动机和路面激励下的准最优控制

6.4.1准最优控制力向量U*(t)的求解和减振器最优参数确定

6.4.2整车系统在发动机确定性荷载作用下准最优控制

6.4.3整车系统在发动机和路面随机荷载作用下的准最优控制

6.4.4实例分析

6.5结果对比

6.6本章小结

第七章 总结与展望

7.1引言

7.2本文主要工作

7.3主要研究结论

7.4课题的创新点

7.5下一步工作

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果