馬天飛，崔澤飛，佟 靜

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

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2015018

基于Isight和AMESim的液壓減振器關(guān)鍵參數(shù)集成優(yōu)化*

馬天飛，崔澤飛，佟 靜

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

在AMESim中搭建了某乘用車前懸架雙筒充氣式液壓減振器的仿真模型。以Isight為平臺集成AMESim，對減振器模型參數(shù)進(jìn)行DOE分析，提取對減振器性能影響較大的參數(shù)，作為優(yōu)化的設(shè)計變量。利用Isight中的Pointer智能求解器進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，經(jīng)過集成優(yōu)化后的減振器阻尼力曲線與目標(biāo)曲線吻合較好，符合工程實際的需要。與傳統(tǒng)方法相比，該方法縮短了時間，提高了設(shè)計效率，可用于指導(dǎo)減振器閥系參數(shù)的設(shè)計與性能預(yù)測。

減振器；Isight；AMESim；集成優(yōu)化

前言

減振器是汽車懸架的重要組成部件，其性能的好壞直接影響車輛的平順性、安全性和操縱穩(wěn)定性。在設(shè)計與生產(chǎn)中，阻尼特性是其最重要的指標(biāo)。傳統(tǒng)的減振器設(shè)計模式是以阻尼特性為參考指標(biāo)，通過反復(fù)試驗來得到減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)。這種設(shè)計模式不僅周期長，且效率低，產(chǎn)品成本高。因此，亟需一種對減振器阻尼特性進(jìn)行仿真并且以阻尼特性為目標(biāo)直接設(shè)計出減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法。

國內(nèi)外學(xué)者已建立了減振器的多種仿真模型，可分為物理參數(shù)模型、等效參數(shù)化模型和非參數(shù)化模型[1]。這些模型各有優(yōu)缺點，適用范圍各不相同。較具代表性的有文獻(xiàn)[2]中建立的包含83個參數(shù)的減振器集總參數(shù)模型,用于研究高頻畸變問題，但模型過于復(fù)雜，且所需參數(shù)依賴于實驗測試；文獻(xiàn)[3]中建立的由彈性元件、阻尼元件、摩擦元件和間隙元件等組成的等效參數(shù)模型，用于汽車系統(tǒng)動力學(xué)和振動仿真分析，但其仿真結(jié)果僅適用于低頻工況；在國內(nèi)，文獻(xiàn)[4]中利用等效線性阻尼的方法，提出分段線性模型；文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中利用AMESim研究了滑閥式和位移相關(guān)減振器的阻尼特性。這些模型在減振器開發(fā)初期可以較好地預(yù)測減振器性能。但根據(jù)減振器的目標(biāo)阻尼特性直接設(shè)計出閥系結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究較少。目前，較常見的做法是先建立減振器阻尼特性的數(shù)學(xué)模型，再利用Matlab軟件編程實現(xiàn)其阻尼特性的仿真和優(yōu)化[7]。這種方法的不足是，仿真程序只能針對某一種類型的減振器，且實現(xiàn)過程較復(fù)雜。

本文中運(yùn)用AMESim軟件建立某減振器的仿真模型，以優(yōu)化設(shè)計軟件Isight為平臺集成AMESim模型，對模型參數(shù)進(jìn)行DOE分析，提取設(shè)計變量進(jìn)行優(yōu)化。整個過程簡單易實現(xiàn)，且充分發(fā)揮了兩個軟件的各自優(yōu)勢。

1 液壓減振器AMESim模型

1.1 減振器的力學(xué)模型

該液壓減振器結(jié)構(gòu)如圖1所示。減振器的工作過程分復(fù)原行程和壓縮行程。隨工況的不同減振器內(nèi)部閥系處于不同狀態(tài)，液壓油流動情況也有所不同，使減振器表現(xiàn)出不同的外特性。

對于復(fù)原行程，活塞上的復(fù)原閥片、底閥上補(bǔ)償閥片的縫隙節(jié)流和常通孔的節(jié)流作用產(chǎn)生了減振器復(fù)原行程的阻尼力。對于壓縮行程，底閥上壓縮閥片、活塞上流通閥片的縫隙節(jié)流和常通孔的節(jié)流作用產(chǎn)生了減振器壓縮行程的阻尼力。此外，底閥和活塞上的一些小孔、工作缸與活塞之間的縫隙、摩擦力、氣體反彈力等因素也會產(chǎn)生阻尼力。根據(jù)以上分析，可得減振器液力系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖中包括了減振器復(fù)原閥總成和壓縮閥總成的組成部分及減振器上腔、下腔和充入低壓氮?dú)獾膬σ焊?。其中，V0、pO為儲液缸中充入氣體的體積和壓力；V1、p1為減振器上腔油液的體積和壓力；V2、p2為減振器下腔油液的體積和壓力；V3、p3為儲液缸油液的體積和壓力；A1為流通閥等效截面積；A2、A5為活塞上的內(nèi)圈和外圈孔的等效截面積；A3、A7為復(fù)原閥和壓縮閥閥片常通孔等效截面積；A4為復(fù)原閥開啟后與活塞之間縫隙的等效截面積；A8為壓縮閥開啟后與底閥之間縫隙的等效截面積；A6、A10為底閥上內(nèi)圈和外圈孔的等效截面積。

1.2 減振器AMESim模型

基于減振器液力系統(tǒng)圖，運(yùn)用AMESim建立了該減振器的仿真模型，如圖3所示，主要參數(shù)如表1所示。

模型中包括減振器的上腔、下腔、補(bǔ)償腔和各種閥系模型，同時考慮了泄漏和氣體反彈力的影響。

表1 仿真模型主要參數(shù)

JLK模擬了活塞和底閥上的小孔，利用BH0013短管子模型進(jìn)行計算；CTK模擬復(fù)原閥和壓縮閥片上的常通孔，采用BH0011固定阻尼孔計算；FYF用來模擬復(fù)原閥，其中彈簧采用SPR003A可變剛度彈簧子模型；LTF和BCF分別模擬了減振器的流通閥和補(bǔ)償閥，它們都為無預(yù)緊力的單向閥。YSF模擬了減振器的壓縮閥，仍采用變剛度彈簧子模型；CYG模擬了減振器的儲液缸，其下面是油液，上面充滿了低壓氮?dú)猓@樣可以增大補(bǔ)償腔向減振器下腔的回油能力，同時可減小噪聲。MBQX元件內(nèi)部輸入了減振器阻尼力目標(biāo)曲線，用于后期優(yōu)化過程中目標(biāo)函數(shù)的確定。

1.3 AMESim仿真模型驗證

仿真與試驗的輸入都依據(jù)減振器臺架試驗標(biāo)準(zhǔn)QC/T545，將減振器放置在20℃的恒溫環(huán)境中進(jìn)行測試，采用正弦激勵的方式，振幅為50mm，頻率為1.67Hz。仿真得出該減振器示功圖(力-位移曲線)與通過在MTS試驗臺上對同一根減振器在相同的條件下測試3次得出試驗示功圖如圖4所示。

由圖可見，仿真示功圖圓滑飽滿，與試驗曲線形狀相似，大小相近，說明仿真與試驗結(jié)果較為一致。減振器3次阻尼力試驗數(shù)據(jù)的平均值與仿真數(shù)據(jù)最大差值為57N，最大相對誤差為7.2%，符合工程實際需要。其中誤差主要來源是模型簡化。由于AMESim屬于一維軟件，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了相應(yīng)的等效處理，不能像有限元軟件那樣準(zhǔn)確地反映出結(jié)構(gòu)特征，必然會產(chǎn)生誤差。

2 減振器關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

2.1 減振器關(guān)鍵參數(shù)的DOE分析

為找出對減振器阻尼特性影響較大的參數(shù)，對減振器模型參數(shù)進(jìn)行DOE分析，其中主要是閥系參數(shù)。首先利用AMESim中的Export模塊導(dǎo)出12個需要研究的參數(shù)，如表2所示。

表2 減振器模型導(dǎo)出參數(shù)

將仿真阻尼力曲線與目標(biāo)阻尼力曲線差值平方的最大值作為輸出。下面利用Isight集成AMESim，集成流程如圖5所示。

整個流程由DOE組件來驅(qū)動執(zhí)行。AMEPilot工具可以從外部調(diào)用AMESim模型進(jìn)行計算，運(yùn)行結(jié)果保存在輸出文件中。對每個參數(shù)(因子)取兩水平值，采用正交數(shù)組法進(jìn)行計算，進(jìn)行64次試驗，得出各因子對輸出影響的PARETO圖如圖6所示。

從圖中可以看出各因子對減振器阻尼特性的影響程度的大小，其中F1、F2、C、D1、D2、P、P2和N對減振器阻尼力的輸出影響較大。其中油液黏度N在設(shè)計中不易控制，且在實際工作中受溫度的影響比較大，不易選作優(yōu)化設(shè)計變量；而補(bǔ)償閥開閥壓力P2一般都很小，經(jīng)過仿真計算發(fā)現(xiàn)，如果控制不好將會使減振器示功圖產(chǎn)生畸變(即阻尼力在某一區(qū)間突然變得很小)，因此本文中不將它作為下一步優(yōu)化過程中的設(shè)計變量。

2.2 減振器關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述的DOE分析結(jié)果，選取F1、F2、D1、D2、P和C6個參數(shù)作為設(shè)計變量。AMESim中目標(biāo)函數(shù)設(shè)為globmax(error)，其中error表示仿真阻尼力曲線與目標(biāo)阻尼力曲線差值的平方，令目標(biāo)函數(shù)為最小。目標(biāo)阻尼力曲線由企業(yè)提供，該曲線實際是對某成熟車型的減振器試驗過程中測得的一組數(shù)據(jù)，再利用Matlab進(jìn)行線性插值處理得到的，因此目標(biāo)阻尼力曲線和示功圖并不圓滑。Isight軟件集成優(yōu)化過程的流程如圖7所示，以Pointer優(yōu)化求解器驅(qū)動整個流程。首先從AMESim中導(dǎo)出包含設(shè)計變量及其初值的數(shù)據(jù)文件damper.in，利用AMEpilot從外部調(diào)用減振器仿真模型文件damper.ame進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果保存在damper.out文件中，Pointer優(yōu)化求解器讀取damper.out文件數(shù)據(jù)，執(zhí)行下一次的迭代，從而改變damper.in文件中設(shè)計變量的值，如此循環(huán)往復(fù)，直到滿足目標(biāo)要求，優(yōu)化結(jié)束。

Pointer優(yōu)化求解器是Isight提供的智能自動優(yōu)化專家，包括4種優(yōu)化算法的組合：線性單純形法、序列二次規(guī)劃法、最速下降法和遺傳算法。Pointer求解器會自動捕捉設(shè)計空間的信息，自動組合4種優(yōu)化算法，從而得到一個最佳的優(yōu)化策略。啟動優(yōu)化，經(jīng)過927次的運(yùn)算后，Pointer求解器找到的最佳解決方案如表3所示。將計算所得出最優(yōu)結(jié)果引入減振器AMESim模型中，繪出優(yōu)化后的阻尼力特性曲線，并與目標(biāo)阻尼力特性曲線和原始阻尼力特性曲線進(jìn)行對比，如圖8所示。示功圖比較如圖9所示。速度特性曲線比較如圖10所示。

表3 優(yōu)化后結(jié)果

通過圖8和圖9可以看出，優(yōu)化后的阻尼力曲線和目標(biāo)曲線吻合良好，示功圖圓滑飽滿，無畸變現(xiàn)象發(fā)生，符合工程實際的需要。通過圖10可以看出優(yōu)化后的速度特性曲線拐點分明，最大阻尼力和最小阻尼力均與目標(biāo)阻尼值相符。

為滿足工程實際需要，將優(yōu)化所得的結(jié)果進(jìn)行圓整，如表3所示。將圓整后的數(shù)值代入AMESim模型進(jìn)行計算，繪出阻尼力特性曲線，并與目標(biāo)阻尼力特性曲線進(jìn)行對比，如圖11所示。示功圖比較如圖12所示。

通過圖11和圖12可以看出，數(shù)據(jù)圓整后的阻尼力曲線與示功圖并未發(fā)生較大變化，且與目標(biāo)曲線依然吻合良好。因此，可以認(rèn)為優(yōu)化后的閥系參數(shù)能夠使減振器阻尼特性滿足工程實際的需要。

3 結(jié)論

運(yùn)用AMESim建立了液壓減振器的仿真模型，以優(yōu)化設(shè)計軟件Isight集成AMESim，對模型進(jìn)行了DOE分析與優(yōu)化設(shè)計。得出以下結(jié)論。

(1) 運(yùn)用AMESim軟件建立液壓減振器仿真模型并利用試驗進(jìn)行驗證，表明模型正確可信。

(2) 利用AMESim與Isight軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，可方便地獲得減振器閥系參數(shù)的最優(yōu)匹配方案，對減振器實際設(shè)計和生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

[1] 李世民,呂振華.汽車筒式液阻減振器技術(shù)的發(fā)展[J].汽車技術(shù),2001(8):10-16.

[2] Lang H H. A Study of the Characteristics of Automotive Hydraulic Dampers at High Stroking Frequencies[D].USA: the University of Michigan,1977.

[3] Karadayi R, Masada G Y. A Nonlinear Shock Absorber Model[J].ASME,1989,12:149-165.

[4] 葉全勇,俞德孚.車輛懸架減振器外特性的等效線性計算[J].兵工學(xué)報,1994(1):43-78.

[5] 徐中明,張玉峰,李仕生,等.筒式液壓減振器AMESim建模與仿真[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報,2010,24(3):1-6.

[6] 徐中明,李仕生,張玉峰,等.行程敏感減振器阻尼特性仿真與試驗[J].兵工學(xué)報,2011,32(9):1078-1082.

[7] 王保華.液壓減振器特性仿真與優(yōu)化設(shè)計研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.

Integrated Optimization of the Key Parameters of Hydraulic ShockAbsorber Based on Isight and AMEsim Software

Ma Tianfei, Cui Zefei & Tong Jing

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

A simulation model for the twin-tube gas-charged shock absorber for the front suspension of a car is built. With AMESim integrated into Isight platform, the parameters of shock absorber model are analyzed with the design of experiment and the parameters having stronger effects on the performance of shock absorber are extracted as the design parameters to perform optimization with intelligent solver Pointer in Isight. The results show that the damping force curve agrees well with objective curve after optimization, meeting the requirements of engineering practice. Compared with traditional method, the method proposed shortens the lead time, enhances the design efficiency, and can be used as a guide in the design of valve system parameters and performance prediction of shock absorber.

shock absorber; Isight; AMESim; integrated optimization

*吉林省科技支撐計劃項目(20106003)資助。

原稿收到日期為2012年12月21日，修改稿收到日期為2013年4月10日。