黃燕 宋樹森
【摘 要】根據(jù)動力總成懸置系統(tǒng)模態(tài)及解耦的計算公式,利用EXCEL自帶的有限的矩陣運算函數(shù),計算動力總成懸置系統(tǒng)的廣義剛度矩陣K和廣義質量矩陣M的逆矩陣M-1的乘積M-1×K(設其結果為矩陣A)。然后利用作者發(fā)明的一種特殊方法在EXCEL中求出該矩陣A的特征值,再利用逆冥法在EXCEL表中求出矩陣A的特征向量,最終計算出動力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)及解耦。整個計算過程龐大而復雜,但求解矩陣A的特征值和特征向量是核心,因此將重點介紹。此外,將利用工程領域應用極廣的計算軟件MATLAB對基于EXCEL的動力總成懸置系統(tǒng)模態(tài)及解耦的計算的準確性和精度進行驗證。
【關鍵詞】動力總成懸置系統(tǒng);模態(tài);解耦;EXCEL
【中圖分類號】U464.13 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688(2019)09-0122-04
0 前言
在開發(fā)工程車和乘用車時,為了整車的駕乘舒適性和避免共振現(xiàn)象的發(fā)生,必須計算動力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)及解耦,以期達到良好的隔振效果和整車舒適性。該計算工作量很大,很難人工完成。所以,工程師會借助于強大的數(shù)學計算軟件或物理建模軟件完成相關計算。這些軟件往往是商用的,計算成本較高。本文將介紹如何利用辦公電腦必備的辦公軟件EXCEL,完成動力總成懸置系統(tǒng)模態(tài)及解耦的計算。基于EXCEL的計算結果與基于MATLAB的計算結果做對比,說明計算精度的一致性。這種利用EXCEL自帶的函數(shù)庫完成某些功能件的分析計算的方法,值得其他功能區(qū)域去探索和實踐,以便降低開發(fā)成本,緩解計算資源的緊張。
1 動力總成懸置系統(tǒng)模態(tài)及解耦計算公式簡介
2 在EXCEL表中的計算方法實現(xiàn)
根據(jù)動力總成懸置系統(tǒng)模態(tài)求解公式(7)和解耦率求解公式(9)可知,涉及在EXCEL表中構建矩陣,求解逆矩陣、求解矩陣乘積、求解矩陣特征值和特征向量等。在本文中,將結合某公司設計的一款車型懸置,重點介紹如何在EXCEL表中求解矩陣的逆、矩陣的乘積、矩陣的特征值和特征向量等。
2.1 逆矩陣的計算方法
在EXCEL表中,求解矩陣的逆可以用函數(shù)MINVERSE()。在本文中,將利用該函數(shù)求解廣義質量矩陣M的逆矩陣。在公司開發(fā)的車型中,動力總成的質量矩陣如圖1所示,利用函數(shù)MINVERSE()計算其逆矩陣如圖2所示。
2.2 矩陣乘積的計算方法
在EXCEL表中,求解兩個矩陣乘積的函數(shù)為MMULT()。在本文中,利用該函數(shù)求解矩陣A=M-1×K(見公式8)。動力總成懸置系統(tǒng)的廣義剛度矩陣如圖3所示,利用函數(shù)MMULT()計算的矩陣A結果如圖4所示。
2.3 矩陣特征值的計算方法
在EXCEL表中,無直接計算矩陣特征值的函數(shù)。但可以借助EXCEL表的其他函數(shù),實現(xiàn)求解矩陣的特征值。設矩陣A的特征值構成的行列式為Y,并將A看作行列式,則存在行列式A-Y=0。一般,各車型的動力總成的質量在130~180 kg,其對應的矩陣A的特征值Y的取值范圍在1 000~14 000。為了能夠處理更輕的動力總成和更重的動力總成,我們可以適當放大特征值Y的取值范圍。本文設特征值的取值范圍在510~30 000。
可以按照從小到大的順序求解特征值Y。我們先假設Y=510,代入行列式A-Y中,計算行列式A-Y的值。然后逐漸增大Y值,并依次計算行列式A-Y的值。當行列式A-Y=0時,則對應的Y值就是矩陣A的特征值。我們會在510~30 000找到6個使行列式A-Y=0的Y值。但實際計算時存在一個難解的問題:即使Y以單位1來遞增,每次求行列式A-Y的值時,其值都不等于0。這說明,如果我們只將Y精確到個位數(shù),是無法使行列式A-Y=0的。因此,我們需要取小數(shù)。但實踐證明,即使我們取到了小數(shù)點后5位,也不會使A-Y=0。Y以如此小的幅度遞增,會使計算量和計算數(shù)據(jù)變得龐大,甚至達到天文數(shù)字。一張EXCEL表最多含有1 048 576×16 384個單元格,即使將這些單元格都利用上,也可能無法完成如此巨大的計算。實踐證明,我們不需要十分精確的矩陣A的特征值,只要將其精確到10位,就可以保證動力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)與解耦率擁有足夠的精度。經(jīng)過與大型商業(yè)軟件MATLAB計算的結果對比,模態(tài)的精度可以達到0.1 Hz,解耦率的精度可以達到0.2。該精度完全滿足任何車型的動力總成懸置系統(tǒng)的設計要求。將特征值精確到10位,可以極大地減少計算量。我們只需要完成(30 000-510)/10+1=29 950次計算。這樣的計算次數(shù),EXCEL表可以在數(shù)秒內完成。
精確到10位,意味著求解特征值Y的近似值。在計算過程中,肯定會發(fā)生這種情況:當Y=Yn時,A-Yn<0;當Y=Yn+1時,A-Yn+1>0,則特征值就介于Yn與Yn+1之間。所以,我們可以令特征值近似的為Y=(Yn+Yn+1)/2。這樣,我們就求出了矩陣A的近似特征值。其中,n=1,2,3,…,29 950;Yn+1=Yn+10。
首先在EXCEL表中構建特征值行列式Y,從510開始,以10為單位步長累加(如圖5和圖6所示)。然后計算行列式A-Y的值(如圖7和圖8所示)。計算行列式的值要用到函數(shù)MDETERM()。最后判斷(A-Yn)×(A-Yn+1)是否小于0,凡是小于0的,則?。╕n+Yn+1)/2為矩陣A的近似特征值。這樣,我們就計算出了矩陣A的所有近似特征值,重新命名其為eig,其值為(1 475 2 655 3 705 4 835 8 845 10 235)T。
2.4 矩陣特征向量的計算方法
求得矩陣A的特征值后,需要求解特征值對應的特征向量。同樣,EXCEL沒有求解特征向量的函數(shù)。本文利用逆冥法[3]求解特征向量,其方法見公式(10),其中i=1,2,…,6,I為6×6階的單位矩陣,每個特征值對應的初始特征向量為單位向量R0=[1 1 1 1 1 1]T,每次迭代后的特征向量為Rn(n=1,2…)。MAX|Xn|為數(shù)列Xn中極值的取正。按照公式(10)進行迭代計算,當相鄰兩次迭代Rn-1和Rn近似相等時,則Rn即為矩陣A的一個特征值對應的特征向量。
(A-eigi×I)Rn-1=XnRn=Xn/MAX|Xn(10)
以eig1為例,在EXCEL表中簡單介紹其對應的特征值計算方法。根據(jù)式(10),在EXCEL表中利用函數(shù)MMULT((MINVERSE(A-eig1*I),R0))求出X1.利用函數(shù)MAX(ABS()),求出MAX|Xn|和R1。然后,迭代下去,依次計算X2、R2、X3、R3……最后發(fā)現(xiàn),第九次和第十次迭代后,R9和R10在小數(shù)點后7位都是相同的,所以確定了eig1對應的特征向量為第10次迭代的結果R10,并重新命名為V1=[-0.001 062 906 1 -0.000 659 385 0.515 210 046 -0.173 737 188 0.052 904 115]T。
同理,依次計算出其他5個特征向量:
V2=[0.017 934 073 -0.000 286 984 1 0.013 295 751 -0.437 069 402 -0.078 468 667]T
V3=[0.664 140 6 -0.001 388 5 -0.025 148 703 0.081 674 249 -1 -0.456 414 39]T
V4=[0.045 221 658 0.003 542 984 0.012 140 699 -0.066 572 212 1 0.155 561 787]T
V5=[0.025 497 281 -0.009 717 558 -0.000 166 081 0.105 893 448 -0.079 668 001 1]T
V6=[-0.003 851 884 -0.030 347 53 0.001 081 269 1 -0.090 717 755 -0.172 696 521]T
2.5 動力總成懸置系統(tǒng)模態(tài)和解耦率的計算結果
根據(jù)公式(7),其在EXCEL表中的實現(xiàn)函數(shù)為SQRT(TRANSPOSE(eig))/(2*PI()),求出動力總成懸置系統(tǒng)的六階頻率為ω=(6.11,8.20,9.69,11.07,14.97,16.10)。再根據(jù)公式(9)和前述求得的特征向量,可以在EXCEL表中計算出動力總成懸置系統(tǒng)的解耦率和六階模態(tài)對應的方向。這個在EXCEL表中都是利用現(xiàn)有函數(shù)實現(xiàn),難度不大,因篇幅限制,在此不予介紹。最終結果如圖9所示(Fore/Aft代表前后方向X,Lateral代表左右方向Y,Bounce代表上下方向Z,Roll代表繞X軸旋轉的方向,Pitch代表繞Y軸懸置的方向,Yaw代表繞Z軸懸置的方向)。
3 結果驗證
MATLAB因其強大的數(shù)據(jù)處理,尤其是對矩陣的處理,被廣泛應用于各種工程領域。本文將利用事先在MATLAB中編制好的動力總成懸置解耦程序,用于檢驗基于EXCEL計算結果的準確性。計算結果如圖10所示。對比圖9和圖10可知,頻率偏差在0.1 Hz以內,解耦率偏差在0.2以內(MATLAB的解耦率表示方法采用的是小數(shù)表示,EXCEL的解耦率表示方法采用的是百分數(shù),對比時需要注意)。這樣的精度,足以滿足和保證動力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)和解耦率計算的精度要求。
4 結論
利用EXCEL表可以進行矩陣求解特征值和特征向量的計算,進而求解動力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)和解耦率。
整個計算過程(包含參數(shù)輸入)需要1~2 min。這與基于MATLAB的計算時間基本一致或接近。
經(jīng)過與基于MATLAB的計算結果對比,計算精度與MATLAB保持一致,足以滿足動力總成懸置系統(tǒng)的模態(tài)和解耦率計算的需求。
參 考 文 獻
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