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　　Co-simulation Analysis of Automotive Powertrain and MRF Hydraulic Mount Vibration Isolation Performance A Thesis Submitted to Chongqing University In Partial Fulfillment of the Requirement for the Masters Degree of Engineering BY Wang Zhe Supervised by Associate Prof. Li Jun Specialty : Machinery theory and design College of Mechanical Engineering of Chongqing University, Chongqing, China April 2014 中文摘要 摘 要 随着国内经济的快速发展，私家车的拥有量也急剧增加。如今驾驶员不仅对 汽车的动力性、安全性、操控性以及造型有着个性化的要求，而且对汽车的NVH （Noise 噪声、Vibration 振动、Harshness 声振粗糙度）性能也越来越看重。这就 需要具有良好的动力总成悬置来隔绝发动机与地面的激励。 本文结合与某公司共同合作的磁流变液压悬置开发的横向课题研究需要，在 已有研究成果的基础上，基于SIMULINK 联合仿真平台，建立汽车发动机动力总 成与磁流变液压悬置联合仿真模型，并分析其振动情况，这就将单个悬置的结构 设计放在了汽车发动机动力总成隔振系统这个更大系统中来加以考虑，即在零部 件设计的初期就考虑到它未来在整个系统中的性能发挥，一切为系统性能最佳服 务，这就是系统设计的思想，也是本文的学术理论意义所在。在这种思想的指导 下，本文具体研究了以下主要内容： 首先，本文研究磁流变液压悬置的力学模型和及其动态特性表示方法，并在 此基础上编写MATLAB 参数仿真程序来模拟磁流变液压悬置的动态特性。同时， 在MTS 试验台上对磁流变液压悬置样件做动态特性试验，得到了悬置动刚度和阻 尼滞后角的曲线图，利用实测结果与通过程序模拟出来的悬置动态特性作比较， 证明了 0~100Hz 中低频内应用MATLAB 函数仿真悬置动态特性的可行性和正确 性。 其次，建立了中低频（0~100Hz ）动力总成与磁流变液压悬置联合仿真系统， 应用广义力和轴套力叠加的方法来模拟磁流变液悬置的非线性特性，解决了传统 模拟悬置时的轴套力不能使用变量参数定义刚度和阻尼系数的问题。 为弥补MATLAB 参数仿线Hz 高频区内磁流变液压悬置动态特 性的不足，本文引入流固耦合有限元分析技术，对磁流变液压悬置在高频区间内 的动态特性进行了仿真，并对比MTS 台架试验数据，证明了有限元分析的正确性， 并提出了在高频激振区间内建立高频激励下汽车发动机动力总与磁流变液压悬置 的联合仿真模型的初步构想，供后续的研究者参考。 最后，由于汽车发动机大部分时间处于 0~100Hz 激励区间，故在中低频激励 下汽车发动机动力总成与磁流变液压悬置联合仿真模型的基础上，分析了发动机 在不同工况下（包括低速，怠速，中速，高速，连续加速等)动力总成悬置的隔振 性能。分析了磁流变液压悬置的结构参数对动力总成振动情况的影响，总结出了 相关规律，并以此为依据对磁流变液压悬置的怠速隔振性能进行了优化。 概括起来，本文涉及到 “三种对比，两点创新，两项优化。 I 重庆大学硕士学位论文 “三种对比”，即磁流变液压悬置与普通橡胶悬置隔振性能的对比；磁流变液 压悬置的动态特性参数仿真结果与在MTS 台架试验所获实测数据的对比；磁流变 液压悬置动态特性有限元仿真模拟结果与在MTS 台架试验所获数据的对比。 “两点创新”，即首次应用广义力和轴套力的叠加方式模拟磁流变液压悬置 动态特性的非线性；首次将流固耦合有限元技术以命令流和批处理的方式应用到 汽车发动机动力总与磁流变液压悬置成联合仿真中，拓展了磁流变液压悬置的研 究方法，丰富了有限元分析与多体动力学联合仿真的实际应用。 “两项优化”，即对发动机怠速时磁流变液压悬置的隔振性能进行了优化； 引入流固耦合有限分析对原有中低频的联合仿真系统进行了进一步的优化。 关键词：动力总成，联合仿真，磁流变液压悬置，动特性，流固耦合 II 英文摘要 ABSTRACT With the rapid development of the domestic economy ,the ownership of private car has increased dramatically.Now ,drivers not only pursue for the car s power, safety, handling and individual exterior , but also pay more and more attention to NVH （Noise 、Vibration 、Harshness ）characteristics,which need a good powertrain mounts for cutting off the vibration from the engine and ground . This dissertation establish a automotive powertrain and MRF hydraulic mount vibration isolation system and analysis its vibration by the way of SIMULINK co-simulation ，which based on the existing research result and come from a collaborative enterprise project with a company about development of a MRF hydraulic mount,which means that the structural design of single mount is placed in a larger system—automotive engine powertrain vibration isolation system.Specifically, in the early time of a part we take into account its performance in entire system and all for the best performance of system , which is the system design ideas , but also the academic significance of this dissertation.Under the guidance of this idea,the research contents of this dissertation are summarized as follows: Firstly,the mechanics models and dynamic characteristics of MRF hydraulic mount are introduced.MATLAB Function program is written on the basis of the models and characteristics to simulate the dynamic characteristics of MRF hydraulic mount,Meanwhile, the dynamic characteristics test of MRF mount is made in the MTS test stand for obtaining curves of dynamic stiffness and damping lag angle.Then,the feasibility and correctness that MATLAB Function program is used to simulate the dynamic characteristics of MRF hydraulic mount in 0~100Hz are proved by comparison of the measured and simulated. Secondly, the powertrain with MRF hydraulic mount vibration isolation system in low frequency(0~100Hz) is established .The way that generalized force(General Force) and sleeve force(Bushing) are combined to simulate the nonlinear characteristics of MRF hydraulic mount and rubber mount is used to solve the problem that the sleeve force(Bushing) can not use some variable parameters to set the stiffness and damping. In order to remedy deficiencies of MATLAB parameters program in the simulation of the dynamic characteristics of MRF hydraulic mount in high frequency(100~200Hz) , this paper introduced the fluid-solid coupling finite element analysis technology to III 重庆大学硕士学位论文 simulate the dynamic characteristic of MRF hydraulic mount in high frequency, and compared the test data of MTS bench for proving the correctness of the finite element analysis, and put forward the preliminary conception of the establishment of co-simulation model of automotive powertrain and MRF hydraulic mount in high frequency excitation,which is treated as references for the follow-up researchers. Finally, because in the most time automotive engine generate 0~100Hz incentive, this paper researches the vibration isolation performance of powertrain mount under different working conditions(including low speed, idling,medium speed, high speed and continuous)on basis of automotive engine and MRF hydraulic mount co-simulation model. The influence of structural parameters of MRF hydraulic mount on powertrain vibration situation is analyzed and related laws are summarized, which are regard as the basis to optimize the vibration isolation performance of MRF hydraulic mount at idling. To sum up, this paper relates to the three kinds of comparison, two innovations, two optimization. Three kinds of contrast, namely the comparison of MRF hydraulic mount and ordinary rubber mount vibration isolation performance;the comparison of the results of MRF hydraulic mount dynamic characteristics by parameters simulation and by MTS bench test; the comparison of the result of hydraulic mount dynamic characteristics by finite element and by MTS bench test. Two innovation, namely the first application that MRF hydraulic mount nonlinear dynamic characteristics is simulated by overlying general force and sleeve forces; the fluid-solid coupling finite element technique are firstly applied to automotive and MRF hydraulic mount co-simulation system by the command stream and batch processing ，which expands research method of MRF hydraulic mount , enrich the practical application of finite element analysis and multi-body dynamics. Two optimization, namely the vibration isolation performance of MRF hydraulic mount at engine idling is optimized;Original low frequency co-simulation system is further optimized by fluid-solid coupling finite analysis Keywords:Powertrain,Co-simulation,Magnetorheological fluid hydraulic mount, Dynamic characteristics,Fluid-structure interaction IV 目 录 目 录 中文摘要I 英文摘要II 1 绪论 1 1.1 研究的背景和意义 1 1.2 发动机液压悬置的发展历史及趋势 2 1.3 联合仿线 本文研究的主要内容 8 2 磁流变液的工作原理及磁流变液压悬置结构设计11 2.1 磁流变液的发展及应用11 2.2 磁流变液工作机理 12 2.3 汽车磁流变液压悬置的结构设计 13 2.4 本章小结 15 3 磁流变液压悬置的力学模型及其动态特性参数仿线 磁流变液压悬置的动态特性评价参数 17 3.2 磁流变液压悬置的动态特性分析及其参数仿线 普通橡胶悬置力学模型的建立 20 3.4 本章小结 22 4 磁流变液压悬置动态特性试验与参数仿线 MTS 台架实验系统组成及实验样件 23 4.3 磁流变液压悬置动态特性模拟与实测分析 24 4.4 普通橡胶悬置动态特性模拟与实测分析 26 4.5 本章小结 27 5 中低频激励下动力总成与磁流变液压悬置联合仿线 动力总成悬置系统概述 29 5.2.1 动力总成悬置系统功能 29 5.2.2 动力总成悬置系统布置形式 29 5.2.3 支撑点数目及位置选择 30 5.3 动力总成力学模型的理论推导 31 5.4 基于Adams 的动力总成隔振系统建模 33 V 重庆大学硕士学位论文 5.4.1 几何模型的简化33 5.4.2 几何建模步骤33 5.4.3 设置动力总成隔振系统的输入输出变量38 5.4.4 生成联合仿真系统中的多体动力学模型39 5.5 发动机动力总成与悬置系统联合仿线 高频激励下动力总成与磁流变液压悬置联合仿线 ADINA 有限元软件介绍43 6.3 磁流变液压悬置动态特性流固耦合有限元模型建立44 6.3.1 磁流变液压悬置动态特性评价参数的获取44 6.3.2 固体有限元模型的建立45 6.3.3 液体有限元模型的建立46 6.3.4 流固耦合后处理分析47 6.4 磁流变液压悬置高频动态特性仿线 联合仿真环境下的悬置动态特性有限元分析50 6.5.1 批处理方式运行流固耦合的命令简介50 6.5.2 联合仿真环境下动态特性函数的编写方法51 6.6 高频激励下动力总成与磁流变液压悬置联合仿线 发动机动力总成悬置隔振性能分析及优化55 7.1 动力总成悬置在不同转速下的隔振性能分析55 7.1.1 发动机低速时的振动仿线 发动机怠速时的振动仿线 发动机中速时的振动仿线 发动机高速时的振动仿线 发动机连续加速时的仿线 磁流变液压悬置参数变化对动力总成系统隔振性能的影响68 7.2.1 橡胶主簧阻尼对动力总成系统隔振性能的影响68 7.2.2 橡胶主簧等效活塞面积对动力总成系统隔振性能的影响69 7.2.3 上腔体积柔度对动力总成系统隔振性能的影响70 7.2.4 下腔体积柔度对动力总成系统隔振性能的影响72 7.2.5 惯性通道截面积对动力总成系统隔振性能的影响73 7.3 磁流变液压悬置怠速隔振性能优化74 VI 目 录 7.4 本章小结 77 8 全文总结及展望 79 8.1 研究工作总结 79 8.2 研究工作展望 80 致 谢 81 参考文献 83 VII 重庆大学硕士学位论文 VIII 1 绪 论 1 绪 论 1.1 研究的背景和意义 现阶段国内经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，私家车的拥有量也 急剧增加。随着汽车技术的高速发展，驾驶员不仅对汽车的动力性、安全性、操 控性以及造型有着个性化的要求，而且对于汽车的 NVH （Noise 噪声、Vibration [1] 振动、Harshness 声振粗糙度）也越来越重视 。汽车的NVH 特性成为评价汽车舒 适性的重要依据。其中噪声是由于物体振动产生的，所以汽车的振动特性成为提 高汽车舒适性的关键因素。汽车振源主要有发动机工作时产生的有规律的激励和 由路面不平引起的随机激励。为减缓以上因素所引起的振动，就需要在发动机动 力总成（发动机、离合器、减速器的总称如图1.1 所示）与车架间安装减振装置来 衰减这两个方向上的振动，这种衰减振动的装置通常称为悬置。 动力总成悬置系统的作用是抑制动力总成运转时引起的振动传递到车架上， 以及路面的随机振动通过悬架、车架传递到动力总成，同时它也支撑着动力总成 的重量。通常情况下，当动力总成悬置的激励频率在5~20Hz 低频范围内大幅振动 时，引起系统振动的因素主要有路面不平度、汽车在启动、换挡、制动、突然加 速、突然减速等工况下发动机输出的扭矩突变，以及发动机二阶不平衡往复力， 这时悬置应具有大刚度、大阻尼的特性；而在50Hz 以上的频率范围内，为了减小 驾驶室内空腔噪鸣声，改善汽车的操纵稳定性，悬置应具有小刚度、小阻尼的特 [2] 性 。普通的橡胶悬置、普通的液压悬置难以达到上述的要求。 为适应对动力总成悬置越来越高的现实要求，伴随着材料科学的突飞猛进， 一种新型悬置—磁流变液压悬置(Magnetorheological Fluid Mount)应运而生。由于 磁流变液是由具有磁性的颗粒体分散悬浮于绝缘液中形成的，其流变特性随外加 [3] 磁场的变化而急剧改变 。利用这一性质，就可以实现磁流变液压悬置的动态特性 随外加磁场强度的改变而改变。这就为发动机宽频隔振，改善汽车舒适性提供了 [4-8] 新的技术支持 。 本文研究的课题源自与某公司的联合研发项目，目的是研发一种新型磁流变 液压悬置以替换以前的普通液压悬置和橡胶悬置。课题组前期已经进行了大量的 工作，主要包括磁流变液的流道和磁路设计，磁流变液压悬置的动特性仿真等。 但前期的动特性模拟多停留在单个悬置体的研究，而安装有磁流变液压悬置的动 力总成系统隔振研究相对较少，研究所用的方法多为单一地应用MATLAB 、有限 元软件或多体动力学软件其中的一种，没能充分地将这些软件的技术优点加以集 成，设计出一种能够快速运算，操作简洁，能与相关设计相配套的动力总成隔振 1 重庆大学硕士学位论文 仿真系统。 本文正是基于这种思路，设计出一种基于SIMULINK 平台的联合仿真系统， 发挥Adams 动力总成系统建模的快速，准确的特性和 MATLAB 在编辑磁流变液 压悬置特性非线性函数和嵌入有限元仿真命令方面的优势。通过Adams/control 的 数据交换接口实现了两个软件的联合仿真。这样的仿真系统，可以方便地计算指 定转速下的动力总成系统振动特性，也可以计算在一定时间内连续加速时动力总 成的振动特性，更可以观察磁流变液压悬置的结构参数对动力总成隔振性能的影 响。通过这些分析，总结出悬置在设计中的不足，通过适当的结构优化，进而提 高动力总成隔振系统的整体性能。这种设计思路包含着系统设计的思想，即在零 部件设计的初期就考虑到它未来在整个系统中的性能发挥，一切为系统性能最佳 服务。并不是把单个零件设计到极致，把它们组装起来整个系统就一定是最优的， 而是要把零件放入未来的应用系统中进行模拟仿真优化，这也是本文的学术理论 意义所在。本文的工作还可以为汽车动力总成悬置的设计开发与隔振系统实验提 供理论指导，简化设计过程，缩短开发周期，节约成本，因而也具有重要的现实 工程意义。 图1.1 动力总成实物图 Fig 1.1 The sample of powertrain 1.2 发动机液压悬置的发展历史及趋势 汽车发展初期，动力总成一般是通过螺栓连接直接固定在车架上。发动机运 转时的振动激振力直接传递到车架结构上。此外，由路面产生的随机振动激振力 通过车架也直接传递给发动机。这样会加剧汽车零部件的疲劳损伤，同时也影响 汽车的NVH 特性。于是，人们寻求一种减振装置以隔离发动机与路面不平对于车 体的振动冲击。 2 1 绪 论 上世纪三十年代，汽车厂商开始将橡胶类元件作为悬置装置。橡胶悬置由于 [8] 具有结构小巧、成本低、使用寿命长等特性得以广泛应用 。但是橡胶悬置最大的 不足就是阻尼小。后来合成橡胶的发明和橡胶硫化工艺的完善，橡胶悬置的隔振 性能得到了一定程度的改善，但它也无法满足消费者对现代汽车NVH 性能越来越 [9] 来越高的的要求 。 上世纪四十年代，美国人Richer.R.Harding 和Strachousky[10]联合提出了将液压 减振器和橡胶减振器合为一体的想法。可因其机构复杂，装配不方便等因素，推 广一直受阻。到了1962 年，由美国通用公司的R.E.Rasmussand[11]等人正式提出液 压悬置的技术概念，并成功研制出世界上第一个液压悬置模型，并申请了技术专 利。此后的二十年里，相关研究和设计工作迅速展开，液压悬置的推广使用达到 了空前活跃。 1979 年，德国奥迪汽车公司率先采用了液压悬置隔振，标志着动力总成液压 [12] 悬置应用的开始 。紧接着又相继研发出了用于 5 缸和 6 缸发动机悬置的 Audi/Boge 、Freudenberg 、Audi Ⅱ型悬置。 1983 年，半主动控制式液压悬置最早被应用在日本三菱汽车公司的豪华版 Galant 轿车上。这是一种通过控制节流阀打开程度来调节阻尼的电控液压悬置。 1987 年，美国Avon 公司研制开发了一种借助控制气体弹簧气压来调整动特性 的液压悬置，与此同时，Avon 公司在 R.W.Herrich 实验室开始研制主动式液压悬 置。这标志着液压悬置开始由被动式转向了半主动控制式、主动控制式方向发展 [13] 。 1988 年，德国科德宝（Freudenberg ）公司成功研制出可根据不同路况实时调 节最优阻尼的半主动液压悬置，印度 Metzeler 公司开发研制成功了世界首例的电 流变液液压悬置。同年，Freudenberg 公司在 FWD 式四缸发动机上安装应用了主 动控制式液压悬置，隔振效果明显好于被动式液压悬置。随后，Bridgestone 公司 研制出使用新型电流变液体半主动液压悬置，悬置的动特性等大幅改善，进而汽 [14] 车的NVH 性能也明显提升 。至此，主动式液压悬置和半主动式液压悬置得到了 很好的现实应用。 1993 年，日本普利司通（Bridgestone ）公司成功研制了以压电晶体元件为执 行器的主动控制式液压悬置，并配套设计了自适应控制算法进行振动主动式控制。 测试试验显示，该型悬置可以降低车身的二阶主谐次振动约20dB[15] 。 1998 年，美国Lord 公司对电流变液、磁流变液发动机悬置进行了研究。此后， 随着磁流变技术的发展，利用具有随磁场变化特性的磁流变液体作为工作介质的 新型发动机悬置也取得了飞速发展。日本丰田汽车公司率先在凌志 Lexus RX300 轿车上批量使用主动控制式发动机悬置[16-19] 。 3 重庆大学硕士学位论文 2004 年，Patrick N. Hopkins 团队提出了一种磁流变液压悬置的新方案，这种 新型悬置最大的特点是除了传统的上下液腔外，解耦盘部件由两个弹性的密封可 靠的解耦盘组成了第三个腔室。在上下液腔内充满磁流变液，而在解耦膜腔中则 [20] 充满标准的液压悬置填充液，比如乙二醇 。 也是在2004 年，Prasad V.P. Gade 团队提出了另一种磁流变液压悬置方案，其 [21] 突出的地方在于此悬置的上下液室间设置有固定解耦膜式解耦器 。 [22] 2005 年，美国N.H. Patrick 团队在原有的磁流变液悬置中加装了解耦器 ， 与Patrick N. Hopkins 团队研究的结构相似的是该悬置也有两个液室和一个由解耦 器组成的新液室。原有的上下液室为磁流变液体，新室为普通液压悬置的液体。 2009 年，美国德尔福Delphi 公司成功研发推出一款突破性动力总成悬置系统， 该系统的悬置属于新型磁流变液动力总成半主动液压悬置。采用可实时调节动刚 度的磁流变液体（MRF ），在整个相关频率范围内保持对动力总成的控制，从而避 免共振堆积问题的出现。该悬置系统不仅可以显著降低动力总成噪音和振动，还 能够提高车辆乘坐的舒适性和稳定性，成功解决因瞬间扭矩改变造成的低频、高 振幅等问题。目前该悬置系统首次应用于 Porsche 新款 GT3 发动机悬置系统，帮 [23] 助提高该款车型的牵引力及稳定性 其结构如图1.2 所示。 图1.2 德尔福公司新型磁流变液压悬置 Fig1.2 New MRF hydraulic mount of Delphi 2010 年，Pan ，Shaw 团队以把原有液压悬置的橡胶主簧替换为金属弹簧， 并新设置有存储磁流变液的液室以及磁路，对其磁路进行仿真分析。建立基于该 磁流变压悬置单自由度隔振系统，并设计滑模控制器，研究结果表明该隔振器在 [24] 其共振频率附近具有良好隔振效果 。 目前，国内各高校如重庆大学、吉林大学、同济大学、合肥工业大学等高等 4 1 绪 论 院校的李俊、蹇开林、秦伟、史文库、张哲蔚、陈无畏等相关专家教授有的根据 发动机振动特性，依托新型磁流变液液体，设计出磁流变液压悬置，并进行了建 模与仿真分析工作。有的针对普通液压悬置，进行了动力总成系统隔振的联合仿 真研究。总体看来，目前我国在磁流变液的研制与性能研究方面仍与国外有一定 差距，磁流变液压悬置尚处在实验开发阶段，研究对象也多是针对单一悬置个体 进行研究；研究方法还过于单一。随着多学科联合仿真在国内外各领域内蓬勃发 展，联合仿真必然成为研究复杂机电一体化产品的重要方法。然而在磁流变液压 悬置研究领域还较少应用联合仿真，因此在发动机动力总成和悬置的动态特性研 究方面可以尝试应用联合仿真方法做一探索。下面详细地介绍联合仿线 联合仿真概述 随着科学研究的逐步深入，科研人员越来越感觉到在面对复杂的研究对象时， 由于其所处环境的复杂，诸多因素存在着相互耦合的作用和影响，单一的仿真软 件已难以满足实际需要，因此多学科，多软件的联合仿线 世 纪初，多学科联合仿真的概念就应运而生了。应用联合仿真技术可以集成各个软 件的优点，在一个完整而统一的构架和界面环境基于一个共同的数据模型实现优 势互补，强强联合，增加仿真的分析精度和可靠性。 （1）联合仿真的要求 联合仿真需要具备以下三项要求: ①具备各个子系统或各个学科领域的高效而集成的仿真工具。 ②各个仿真工具之间可以实现无缝集成和快速的数据交换，并在统一的构架 下实现模型的整合。 ③具有仿真数据和交流管理的平台，实现各系统或各学科的真正联合、统一 协作。 （2 ）联合仿真的方法 目前比较普遍的联合仿真方法包括以下几种： ①联合式：这种模式的数据交换原理是两个不同的仿真工具之间通过 TCP/IP [25] 等方式实现数据交换 。 （耦合接口） 仿真工具A 仿真工具B TCP/IP，McPPI 等 图1.3 联合式仿线 Combining simulation 5 重庆大学硕士学位论文 当不同的仿真工具之间通过这种模式连接后，其中仿真工具A 所包含的模型 可以将自己计算的结果信息作为系统输入指令传递给仿真工具 B 所建立的模型， 这种信息包括力、力矩等典型信号，仿真工具 B 的模型在该信号的作用下产生的 响应量，如位移、速度、加速度等，这些量又可以反馈给仿真工具A 的模型，这 样，模型信息和仿真数据就可以在两个仿真工具之间双向传递。 联合仿真方式的典型应用有：多体动力学与控制系统的联合仿线 所示的某导弹舵机控制系统联合仿真 。这种联合仿真容易建立和实现，具有 很强的普适性，但缺点在于，对系统资源占用较多，某些情况可能速度较慢，需 要各仿真工具具有完善而成熟的数据接口。 图1.4 某型号导弹舵机控制仿线 A simulation model of missile servo control block diagram ②模型转换式：这种模式是将一个仿真工具的模型转化为特定格式（一种包 含模型信息的数据文件），然后这个文件将被另外一个仿真工具模型调用，从而实 现信息交互。 仿真工具A 被改变格式的仿 仿真工具B 线 模型转换式 Fig 1.5 Model -conversion simulation 模型转换式的典型应用有:有限元与多体机构刚弹耦合机械系统等，例如，如 [27] 图1.6 所示的履带车辆刚柔耦合模型 等，这种方式的特点在于求解速度快，对系 统资源占用较少，稳定性好，并且模型建立后便于重复使用，而局限则在于需要 定义特定数据格式的文件，通用性稍差。 6 1 绪 论 图1.6 履带车辆刚柔耦合模型 Fig1.6 Rigid coupling model of tracked vehicle ③求解器集成式：这种模式的基本原理是实现两个不同仿真工具之间的求解 器代码集成，进而实现一个仿真工具环境对另一个仿真工具的求解器的调用。 仿真工具A 的求解器 仿线 求解器集成式 Fig 1.7 Integrated Solver simulation 求解器集成式的典型应用有：带有流固耦合、冲击等几何非线性问题的大型 结构问题等，例如图1.8 所示的针对宇宙飞船返回舱落入海中时受力的流固耦合分 [28] 析 等。这种方式的优势在于可以方便有效的运用多种学科领域的求解技术，便 于用户直接使用现有模型，而局限在于模型中的某些因素如单元类型、函数形式 等某些情况下需要重新定义，同时软件的开发和升级周期较长。 图1.8 宇宙飞船返回舱落入海中时流固耦合模拟图 Fig1.8 Fluid-solid coupling simulation map when spacecraft re-entry capsule fall into the sea 由于本文研究对象是汽车发动机动力总成与磁流变液压悬置隔振系统。一方 面动力总成隔振系统模型可以方便地通过MSC Adams 软件建立，在其中可以添加 7 重庆大学硕士学位论文 动力总成模型信息、添加悬置的位置关系、动力总成所受载荷，采集动力总成系 统测量变量（如质心位移，加速度，悬置顶点受力）等信息；另一方面磁流变液 压悬置的动态特性可以用MATLAB 参数仿真或其它方法来模拟，将这两方面通过 一个成熟的联合仿真平台—SIMULINK 结合起来，这就是本文联合仿线 本文主要研究内容 为了分析磁流变液压悬置在汽车发动机动力总成隔振系统中的减振性能，本 文采用联合仿真的办法构建起汽车发动机动力总成与磁流变液压悬置联合仿真模 型，并在此基础上分析磁流变液压悬置在特定工况下的隔振性能，本文的主要内 容如下： ①通过浏览国内外相关文献，总结动力总成液压悬置的发展过程，联合仿真 的意义和现状，以及采用联合仿真技术研究本课题的必要性。 ②介绍磁流变液效应和磁流变液压悬置的基本原理；根据悬置的工作原理推 导不同工况下磁流变液压悬置的动态特性函数和普通橡胶悬置的动态特性函数， 并编写用于汽车动力总成与磁流变液压悬置联合仿真的动态特性MATLAB 参数仿 真程序。 ③为了验证用 MATLAB 参数仿真得到的悬置动态特性函数正确与否，应用 MTS 台架试验设备对不同悬置样件进行动态特性的试验，同时也为确定上述所编 写的MATLAB 参数仿真程序适用于联合仿真的具体激励频率范围。 ④以MATLAB 参数仿真程序和ADAMS 动力总成隔振系统模型为基础，建立 汽车发动机动力总成与磁流变液压悬置成联合仿真模型。 ⑤对MATLAB 参数仿真程序不能模拟的激振频率范围内的悬置动态特性，引 入ADINA 有限元命令流与批处理命令，通过流固耦合分析模拟磁流变液压悬置在 此频段的动态特性。初步阐述了在此频段内建立汽车动力总成与磁流变液压悬置 的联合仿真模型的基本思路和方法，以及遇到的问题。 ⑥以○4 中建立好的联合仿真模型为基础，分析发动机 不同工况下，动力总成 的振动情况；分析磁流变液压悬置结构参对发动机怠速时振动情况的影响，为优 化发动机怠速时悬置的隔振性能提供参考，并尝试对悬置怠速隔振性能进行参数 优化。 ⑦总结相关研究工作，并对课题的下一步研究内容提出展望。 论文的总体思路框图如图1.9 所示。 8 1 绪 论 MATLAB 悬置参数对怠速 函数法 悬置动态特性 隔振性能影响 悬 磁流变液悬置 确 频率范围 动力总成联合仿真系统 优 置 动特性分析 定 （MATLAB 参数仿真） 化 悬 结 仿 置 构 对 真 对 怠 及 比 频 比 速 率 隔 力 范 动力总成联合仿真系统 振 学 橡胶悬置动 围 性 （ADINA 有限元） 能 模 特性分析 型 对比 悬置动态特性 MTS 台架 试验法 ADINA 不同工况下隔 流固耦合 振性能分析 图1.9 论文研究总体思路框架图 Fig 1.9 Framework figure of thesis general idea 9 重庆大学硕士学位论文 10 2 磁流变液的工作原理及磁流变液压悬置结构设计 2 磁流变液的工作原理及磁流变液压悬置结构设计 2.1 磁流变液的发展及应用 磁流变液（Magnetorheological Fluid，简称MRF ）其门类属于可控流体，是一 种人工合成的新型智能材料，主要由高磁导率、低磁滞性的微小磁性颗粒分散溶 于非导磁性液中形成的。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特 性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的特性。由于磁流变液在外 加磁场作用下，其流变特性是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与 磁场强度具有稳定的对应关系，因此使之成为一种用途广泛、性能优良的智能材 料。磁流变液的研究是在电流变液的基础上发展起来的，一般认为Winslow 在20 世纪40 年代末期发现了电流变现象。现在普遍公认的最早关于磁流变液的工作始 于美国国家标准局的Jacob Rabinow[29] ，在20 世纪40 年代末至50 年代初，Rabinow [27] 发现了磁流变效应，并开始研究磁流变液及其应用装置（离合器） 。自从上世 纪80 年代以来，各国都有大量的科研机构相继投入磁流变技术相关器件与系统的 研发，产生了形形的针对不同应用对象的磁流变阻尼器，其应用对象涵盖了 乘用车、重型卡车、山地、自行车、桥梁、建筑、机器人以直升机旋翼减摆和枪 炮后坐力控制等军事领域[30-38] 。具体实例参照图2.1 至图2.4. 图2.1 磁流变液在汽车领域的应用 Fig 2.1 MRF applications in the automotive sector 图2.2 磁流变液在桥梁建筑领域的应用 Fig 2.2 MRF applications in the bridge and construction sector 11 重庆大学硕士学位论文 图2.3 磁流变液在人工智能和医疗领域的应用 Fig 2.3 MRF applications in the artificial intelligence and medical sector 图2.4 磁流变液在前沿军事领域的应用 Fig 2.4 MRF applications in the frontier military sector 2.2 磁流变液工作机理 实验表明，磁流变液在受到磁场作用时悬浮的磁性微粒会产生偶极矩，在偶 极矩的作用下按照如图2.5 的四个阶段逐步固态化。首先第一个阶段，如图2.5 （1） 所示，带有磁性的微粒自由且均匀地分布在非导磁性的载液中。第二阶段中如图 2.5 （2 ）所示，在偶极矩产生的作用力推动下，磁性微粒迅速地形成与磁场平行的 链状结构，有的是不完全的链状结构，有的是松散的微粒状态。第三阶段如图2.5 （3 ）所示，不完整的链状结构在偶极矩的作用下变得完整起来，形成新的链状结 构。第四个阶段如图 2.5 （4 ）所示，随着磁场强度的增强，若干由磁性颗粒组成 的链状结构逐渐聚集，分布越来越广，直到整个系统达到磁饱和。在（1）到（4 ） 的过程中链状结构对液体流动的限制逐渐增强，当磁场增加到临界值即达到磁饱 和时，偶极矩相互作用超过热运动，悬浮颗粒热运动严重受缚，磁流变液出现明 显的固体特性。当撤去外加磁场时，磁流变液又按照与图2.5 相反的顺序转变成液 态。这一固液转换是可逆的，并且时间都为毫秒级。磁流变液这种变化过程就是 磁流变效应[39-42] 。 12 2 磁流变液的工作原理及磁流变液压悬置结构设计 图2.5 磁流变效应过程图 Fig2.5 MR effect process 2.3 汽车磁流变液压悬置的结构设计 对磁流变液压悬置的各个零件进行尺寸和位置的测量，经CATIA V5 三维建模 软件绘制出液压悬置的三维模型，如图2.6 所示。其中，支架板与车架相连，磁流 变液压悬置的螺栓连接汽车动力总成，磁流变液压悬置则通过外壁固定在支架板 上。 图2.6 磁流变液压悬置三维模型 Fig.2.6 3D model of MRF mount 图2.7 为磁流变液压悬置的二维剖面结构图，图2.8 为磁流变液压悬置实物图。 其中，橡胶主簧、橡胶底膜、外壳构成了一个完整密闭的空间；上、下隔板与线 圈、橡胶解耦盘组成的中部结构将这个密闭空间分隔为上、下液室；液室里充满 13 重庆大学硕士学位论文 磁流变液（磁流变液组成包括40% 的四氧化三铁粉末、10%的碳基铁粉、40% 的载 [43] 液和 10%的表面活性剂 。）；两个液室通过上、下隔板形成的环形通道（惯性通 道）相连。橡胶主簧和外壳完全固接在一起，通电线圈放置在上、下隔板的外侧 凹槽中，通过给线圈加载一定量的电流，线圈将产生磁场，进而作用于内侧的惯 性通道中的磁流变液。橡胶解耦盘放置在上隔板和下隔板中心孔的凹槽中，上隔 板紧贴上部橡胶主簧，下隔板紧靠上隔板底部， 橡胶底膜被封压在下隔板底部形 成了封闭的液室。 如图2.7 中，橡胶解耦盘运动的自由行程为2 倍的解耦盘厚度。当A 端无激 励时，可以近似地认为解耦盘处于自由行程的中间位置。当A 端的激励为低频、 大振幅正弦激励时，橡胶主簧产生泵吸作用，这就使解耦盘的上下位移大于其空 间自由行程，上下隔板间的凹槽限制了解耦盘的运动，从而迫使磁流变液从惯性 通道流过，此时给线圈通电，将会产生垂直于惯性通道内磁流变液流向的磁场， 在磁场作用下磁流变液发生了固化现象，迅速增加了悬置的刚度和阻尼。在这种 情况下，磁流变液压悬置表现出大刚度、大阻尼的特性。当A 端的激励为高频、 小振幅正弦激励时，解耦盘的位移处于自由行程内， 因而惯性通道中无磁流变液 流动，通常此时也无需加载电流，这就保持了悬置小刚度、小阻尼的特性，从而 达到随振动载荷的不同适时调节悬置刚度和阻尼的目的，使动力总成系统隔振性 能达到最佳[44-49] 。 图2.7 磁流变液压悬置二维剖面与实物图 Fig .2.7 Structural sketch and sample of MRF hydraulic mount 14 2 磁流变液的工作原理及磁流变液压悬置结构设计 （a ） （b ） （c ） 图2.8 磁流变液压悬置实物图 Fig 2.8 Sample of MRF hydraulic mount 2.4 本章小结 本章介绍了本文的重点研究对象——磁流变液压悬置，围绕着磁流变液压悬 置一些基础性内容展开了阐述，主要内容如下： ①介绍了磁流变液材料的发展历程以及磁流变液减振器在各个领域的广泛应 用。 ②详细地描述了磁流变液效应的演化过程。 ③介绍了磁流变液压悬置的具体结构及其工作原理，展示了磁流变液压悬置样 件。 15 重庆大学硕士学位论文 16 3 磁流变液压悬置的力学模型及其动态特性参数仿线 磁流变液压悬置的力学模型及其动态特性参数仿线 磁流变液压悬置的动态特性评价参数 研究磁流变液压悬置的隔振性能需要建立相应的悬置力学模型。建模方法有 很多种，本节选用键合图理论构建磁流变液压悬置的力学模型，如图3.1 。悬置在 K 动载荷下表现出来的隔振性能称为悬置的动态特性，一般用悬置的动刚度 和阻 d  [50, 51] 尼滞后角 表示 。 图3.1 磁流变液压悬置的力学模型 Fig3.1 Mechanical model of MRF hydraulic mount 基于传递函数方法计算磁流变压悬置的复刚度为 * K （j 0 ）F [F (t)]/ F [x(t)]  0 K 1jK 2 (3.1) F K 其中 代表傅里叶变换; 代表存储刚度； 代表损失刚度。 1 K 2 则 2 2 K d K 1 K 2 (3.2)  a r c t a n ( ) (3-3) K 2 K 1 磁流变液压悬置阻尼系数为： B K d s i n /  (3.4) 单个磁流变液压悬置力传递率为： 2 2 K 1 K 2 TA [K M2]2 [K 2]2 (3.5) 1 17 重庆大学硕士学位论文 3.2 磁流变液压悬置的动态特性分析及其参数仿真 本节的目的对磁流变液压悬置动态特性进行参数模拟。 （1）应用键合图理论建立磁流变液压悬置动刚度的数学模型。 键合图理论是一种统一的模块化的，能处理多种能量范畴的复杂模型的动态 特性分析方法，特别适合于复杂的具有多样性的工程系统。如图3.1 是本文所要研 究的磁流变液悬置的集总参数力学模型，假设上，下液室的体积弹性特征为线性， 分别用体积柔度C 和C 表示；K 和B 分别为橡胶主簧的刚度和阻尼；P (t)和P (t) 1 2 r r 1 2 别为上下液室的平均压力；A 和A 分别是橡胶主簧的有效泵液面积和惯性通道的 P i 截面积；Q （t ）和Q (t)分别为流入惯性通道和解耦膜的液体流量；I 和 I 分别为 i d i d 惯性通道中的液体和解耦膜及其附连液体的惯性系数；R 和R 分别为惯性通道和 i d [52] 解耦膜处的液体阻尼系数 。 根据磁流变液压悬置的力学模型中各个参数之间的关系和键合图理论可以得 [53] 到磁流变液压悬置的键合图模型 ，如图3.2 。 图3.2 磁流变液压悬置的键合图模型 Fig 3.2 Bond graph model of MRF hydraulic mount 根据液压悬置的键合图模型可以推导出系统的数学模型经过Laplace 变化求得 悬置动态复刚度为： * 2  s  K K r Br AP K 1 K I s3 I R R I s2 R R K I K I s K R K R i d i d i d i d 2 d 2 i 2 d 2 i  I I s3 I R R I s2 R R K I K I K I K I s K R K R K R K R i d i d i d i d 1 d 1 i 2 d 2 i 1 d 1 i 2 d 2 i (3.6) 18 3 磁流变液压悬置的力学模型及其动态特性参数仿真 在低频大振幅（f = 2~50Hz ）振动情况下，悬置的橡胶解耦盘固定Rd ， 所以此时的复刚度表示为 2 s  s  * 2 I i Ri K 2 K  s  low K r Br AP K 1 2 I s  s   i Ri K 1 K 2 在高频小振幅（f = 50~200Hz ）的情况下假设惯性通道内没有磁流变液在流 动，即 Ri  ,并且让K 2 0,所以此时的复刚度表示为 2 K *  s  2 I d s Rd s (3-8) high K r Br AP K 1 2 I d s Rd s K 1 其中 s 2f j (3.9) K 1 1 C1; K 2 1 C2 (3.10) 将式3-10 带入式3-7、式3-8，再按照式3-2 、式3-3 求得磁流变液悬置动刚度 K T 、阻尼滞后角 、悬置阻尼B 、力传递率 。 d  A （2 ）磁流变液悬置动态特性的仿线 的动力总成磁流变液压悬置结构参数和上面的动刚度和阻尼滞 后角公式，并且为了分析问题的简便，将有些非线性变化的参数做了简化为常数， 在SIMULINK 环境下编写各个悬置的MATLAB Function 参数仿真函数，具体编程 模块如图3.3 。 图3.3 MATLAB Function 函数图标 Fig 3.3 MATLAB Function icons

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