基于改进多岛遗传算法的动力总成悬置系统优化设计

摘 要：通过动态调节交叉和变异概率克服多岛遗传算法的早熟现象，并加入退火操作提高算法的局部寻优能力形成改进的多岛遗传算法。综合考虑动力总成悬置系统能量解耦和振动传递率，以悬置刚度参数为设计变量，以固有频率合理分配为约束条件，构造了基于改进的多岛遗传算法的多目标优化数学模型。优化实例的分析结果表明，改进后的算法能够得到全局最优解，优化后悬置系统刚度稳健性较好。实车试验结果表明整改后的悬置系统隔振性能得到一定程度上的提高。

关键词：改进的多岛遗传算法；动力总成悬置系统；稳健性；隔振

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）01-0006-07

引言

汽车发动机在工作中产生的不平衡力和力矩及路面的不平度是引起汽车振动的主要激振源。对发动机悬置参数（如安装位置、角度、刚度和阻尼等）进行优化，可以有效降低动力总成系统和车架之间的双向振动传递，改善整车的NVH性能[1]。因此，对动力总成悬置系统的优化设计显得尤为重要。

汽车动力总成悬置参数的设计是一个多参数、多目标优化问题，可以通过移频、解耦、降低支撑处的响应力等多种途径来优化悬置参数。文献[2-4]从能量解耦法角度出发，通过设计悬置系统的刚度、安装位置或角度使得系统的固有频率合理分配和动力总成在垂向和绕发动机曲轴扭转方向振动解耦度提高，文献[5]从降低悬置系统的振动传递率出发，达到很好的隔振效果。另外，在优化求解过程中存在许多局部最优解，选择合适的优化算法避免出现局部代替整体的情况显得十分重要[6]。

多岛遗传算法是经过改良的遗传算法，主要特点是把整个种群分成若干个子种群，在每个子种群中进行传统遗传算法的所有操作，并且在每个子种群中选定一些个体定期地迁移到另外的岛上，然后继续进行遗传操作。通过这种迁移操作可以维持群体的多样性，能更有效的搜索全局解空间的最优解，但还是会有可能出现早熟现象。改进后的多岛遗传算法可以通过动态调节交叉和变异概率克服多岛遗传算法的早熟现象，加入的退火操作提高多岛遗传算法的局部寻优能力。这对于动力总成悬置系统参数的优化求解具有一定的价值。

本文综合考虑动力总成悬置系统能量解耦和振动传递率，建立了多目标悬置系统优化模型，应用改进后的多岛遗传算法进行优化求解。优化实例表明，优化后的悬置系统刚度稳健性较好，各阶模态频率分布更加合理，能量解耦度得到显著提高。在实车工况下，对整改前后的悬置系统隔振率进行测试，结果表明，整改后系统隔振性能得到了一定程度上的提高，优化效果较为显著。

4 蒙特卡罗法的稳健性分析

上节的优化计算是在悬置系统的刚度是完全可控的前提下计算得到的，但在实际生产中悬置的主刚度会在一定的范围内波动，存在一些不确定因素，很难从工艺上保证刚度的精确度，从而会导致悬置系统的静变形和解耦度的变化。因此有必要对悬置系统的主要刚度进行稳健性分析。

本文采用Monte Carlo法对悬置系统的主要刚度进行稳健性分析。Monte Carlo法通过产生服从一定分布的随机变量，计算响应值的分布情况，以确定变量的变化对响应值的影响程度[9]。假定刚度值按正态分布，变化范围为±10%，以此进行稳健性分析。图3至图6为优化前后的悬置系统垂向和侧倾方向的耦合度分布概率图。

由图5可知，优化后的垂直方向解耦度最低为93%，最高为99%，差值为6%。同样在侧倾方向上，最高耦合度和最低耦合度的差值8%，且能量解耦度主要集中在90%左右。因此可以看出，优化后的系统解耦度满足稳健性要求。

5 实验验证

发动机在怠速工况时，产生的振动放大效应最强，悬置元件所承受的支撑力最大，损坏最大，因此，本文在优化设计时主要考察怠速工况的振动，从而达到改善其隔振性能的目的。隔振效果差说明振动传递量大，反之则好[10]。

为了验证优化后悬置系统的隔振性能，对优化前后各悬置元件的垂向加速度信号进行采集，并通过计算获取各悬置单元的隔振率，以评价悬置系统的隔振性能。采用KISTLER加速度传感器拾取加速度信号，利用LMS SCADAS采集仪和LMS Test. Lab软件进行数据采集与分析，测点布置在悬置元件与动力总成和车架连接处的上下两点。根据优化前后结果，匹配动力总成悬置系统的悬置元件，在样机改进前后重新对动力总成悬置系统进行原地驻车怠速工况下隔振试验，试验测试图如图6所示，试验悬置测点布置如图7所示。

将优化结果应用到原型卡车中，在驻车怠速工况下，并与原悬置件进行隔振率对比测试，试验结果如表7所示。在此基础上进行了原地加速隔振率测试试验，对优化前后悬置系统的加速度隔振率进行对比，如图9所示（限于篇幅，仅给出前左悬置隔振率随发动机转速的提高的变化图）。

从表7可知，怠速工况下，优化后悬置系统各悬置元件的隔振率在优化后都在20 dB以上，相比于优化前均有一定程度的提高。从图8可见，在不同转速下，优化后前左悬置元件的隔振率相比优化前也均有一定程度的提高，优化后整个悬置系统的隔振性能得到了提高，优化达到预期的效果。

6 结语

本文综合考虑了动力总成悬置系统能量解耦和振动传递率，应用改进后的多岛遗传算法进行悬置系统优化设计。仿真结果表明，优化后悬置系统刚度稳健性较好，各阶模态频率分布更加合理，能量解耦度得到显著地提高。根据优化结果，对样车悬置系统的悬置元件进行整改，对整改前后的实车进行测试，试验表明整改后系统隔振性能得到一定程度上的提高，优化效果较为显著。本文的优化方法在改善动力总成悬置系统隔振性能方面具有一定的实际意义和工程应用价值。

参考文献：

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