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开题报告
硕士论文开题报告
论文题目:
XXX
姓名:
XXX
学号:
XXX
专业:
XXX
所属院系:
XXX
学院指导老师:
XXX
论文起止时间:
2014.8-2016.3
目录
1.研究背景及意义3
1.1课题来源3
1.2课题背景和意义3
2.国内外研究现状5
2.1国外研究现状5
2.2国内研究现状6
3.研究目标和内容8
3.1研究目标8
3.2研究内容8
4.关键理论和技术9
4.1关键理论9
4.2关键技术10
5.技术路线11
6.现有研究条件和工作基础12
6.1现有研究条件12
6.2工作基础12
7.工作计划及预期成果16
7.1工作计划16
7.2预期成果17
8.主要参考文献18
1.研究背景及意义
1.1课题来源
本论文课题来源于一汽技术中心“液压减振器的液-固-热耦合建模与仿真研究”项目,双筒液压减振器减振特性和热特性分析的集成与优化。
1.2课题背景和意义
减振器是悬架的重要组成部分,其显著影响着汽车的行驶平顺性、安全性和操纵稳定性。
减振器的性能好坏是通过它的阻尼特性反映出来的,在设计和生产时阻尼特性是重要的指标。
而我国的减振器设计和生产能力目前仍然很低,大量的技术来源于国外,加上传统的阻尼特性是通过试验得到(如图1-1),需要耗费大量人力,财力和时间。
为了提高国内减振器设计水平并降低试验成本,利用仿真方法研究减振器阻尼特性的影响因素并为减振器阀系等主要部件的设计提供指导原则就成了一项十分重要而且紧迫的研究课题。
传统的阻尼特性图是通过试验设备在不同频率水平下固定幅值的正弦激励,得到相应频率下减振器的一条阻尼力——位移曲线(如图1-2)。
但如果希望对减振器进行优化则需调整众多参数,则又需要进行大量的实验,不仅耗费巨大人力物力,更主要的是调整后的减振器性能很可能不满足期望的要求,必须再次进行调整,工作量进一步增加。
图1-1减振器阻尼特性台架结构图和实物
图1-2减振器阻尼力—位移和阻尼力—速度特性曲线
如果建立一个合适的仿真模型,更改减振器的参数后通过计算机仿真绘制出阻尼特性图,从而在设计生产前进行更精确的调整和选择,然后进行少量试验验证,不仅能大大减轻工作量节约试验成本,而且能得到更好的预期效果。
一个好的仿真模型不仅对减振器的设计及生产有着重要作用,而且对整车动力性,平顺性和操纵稳定性也有重要意义。
一汽技术中心在研究A级车减振器(如图1-3)特性的整车调校技术过程中发现,减振器阀体设置及加工精度决定产品特性的一致性,同一批次减振器产品低速段(0-0.2m/s)的偏差范围甚至达到40-50%。
为此要深入研究减振器阻尼特性的影响因素。
通过初步分析认为,减振器性能好坏主要取决于阀系设置水平,同时气体反弹力对其阻尼特性也有较大影响。
为了研究阀系参数、气体反弹力对减振器性能的影响,需要建立减振器的液-固耦合模型。
图1-3减振器实物图
2.国内外研究现状
2.1国外研究现状
从20世纪70年代开始,国外学者就已经开展了双筒液压减振器工作特性的模拟分析研究。
其中,比较有代表性的是Lang的工作[9],他建立了悬架减振器的83个参数模型,用于研究其外特性高频畸变现象。
他采用简化的汽化和液化模型描述工作腔室内混入气体发生的物理变化,利用模拟电路实现减振器特性的仿真。
Lang的模型及其开展的模拟分析工作,代表了1970年代减振器建模和仿真分析技术水平,但用来研究减振器对整车性能的影响,却很不适用。
当时还有Duym建立的减振器各腔室间流动的模型,对减振器速度特性的滞后现象进行了专门的研究。
另外他还建立了考虑温度影响的参数模型,但由于减振器内部热传导的复杂性,因此,他的模型中没有给出油液温度的时间历程[20][21]。
上述文献建立的模型大多利用试验测试结果来获得部分或全部模型参数,因此不便于在设计阶段预测减振器特性。
到20世纪80年代末期,Karadayi和Masada认为Lang的模型虽然能够较好地表达减振器的非线性特性,但是过于复杂,不适用于汽车系统动力学和振动仿真分析。
为了建立一种既能展示减振器特性又较为简明的模型,他们采用了将减振器等效化为弹性元件、阻尼元件、间隙及摩擦元件等组合而成的力学模
[22]。
此后,许多学者对双筒液压减振器的建模开展了大量的研究工作。
Besinger和Cole等在1990年代中后期将这种建模应用于重型车辆悬架减振器的建模[24],并采用了非线性的弹性和阻尼元件,其模型仿真结果在活塞运动频率小于10Hz,速度小于1m/s,的范围内与实验结果吻合的较好。
如果应用在其它范围和其它类型车辆上的减振器的仿真分析,误差就比较大了。
1.减振器非线性特性模拟分析方法
减振器的动态特性通常以阻尼力与活塞相对于缸筒运动学参数的关系来表达,其各类分析模型须尽可能准确地表达出这种关系。
已有的模型可以分成两类,即参数化模型和非参数化模型。
参数化模型有两种建模方法。
第一种方法考虑减振器内部油液的流动以及节流阀弹性元件的变形等真实工作状态,建立流体和结构的耦合动力学模型[20],称为物理参数模型(或直接参数化模型)。
这种模型既可用于减振器特性预测和分析,也可用于汽车系统动力学和振动仿真分析。
第二种方法将减振器抽象成一些具有某种力学特性的典型物理元件的组合系统,建立等效的力学特性分析模型[23][24],称为等效物理参数模型(或等效参数化模型)。
非参数化模型是基于对减振器实验测试分析的一类模型,它不考虑减振器的实际结构和内部工作过程,仅采用形式上适当的数学函数表达式来逼近实验结果。
这类建模方法在振动实验模态分析领域得到重视[25][26]。
2.物理参数模型
减振器的物理参数模型可分为集总参数模型和分布参数模型,目前所建立的物理参数模型多属于集总参数模型。
前者通常以常微分方程表达,后者则以偏微分方程表达。
减振器通常由活塞及活塞杆、流通阀、压缩室、复原室、补偿室、底阀等组成。
建立物理参数模型时应针对各腔室和节流阀建立表述流体压力流量等参数关系的方程,然后根据流体质量守恒关系将各方程式联系起来。
节流阀的特性对于减振器的特性有决定性的影响。
减振器内部的节流阀有弹性阀片组型、弹性阀片与螺旋弹簧组合型、板阀与螺旋弹簧组合型等。
其弹性元件的变形与节流区域流场之间存在着较强的动力学耦合关系,正确描述此耦合关系是建立减振器物理参数模型的关键[27]。
目前所建立的模型大多是利用实验测试结果来获得部分或全部模型参数,因此不便于在设计阶段预测减振器特性。
随着计算技术的发展,采用数值方法建立和求解减振器分布参数模型逐渐成为可能。
受理论研究水平和计算条件的限制,目前建立和求解减振器的完全分布参数模型尚有一定困难,可行的方法是利用FEA(finiteelementanalysis,结构有限元分析)和CFD等方法建立集总参数和分布参数混合的模型。
3.等效参数化模型和非参数化模型
具有代表性的等效参数化模型是1980年代末期,Karadayi和Masada建立的将减振器等效化为由弹性元件、阻尼元件、间隙及摩擦元件等组合而成的力学模型。
该建模方法为建立减振器的少参数非线性模型探索了一条有效的途径,但作为试探性的工作,其模型仿真结果仅在减振器的低频运动工况下能够与实验结果较好地吻合;而Besinger和Cole等则在1990年代中后期将这种建模方法应用于重型车辆悬架减振器的建模,并采用了非线性的弹性和阻尼元件,其模型仿真结果在活塞运动频率小于10Hz、速度小于1m/s的范围内与实验测试结果吻合得较好。
非参数化模型也称作黑箱模型,恢复力曲面(restoringforcesurface,RFS)方法是这类建模方法的典型代表,其要点是将减振器阻尼力表达为多运动状态参数的函数,并以三维曲面图直观地表达减振器特性。
目前,基于谐波激振的RFS建模方法已相对比较成熟,基于非谐波激振(如随机激振)的RFS建模方法正处于进一步研究中。
对上述数学模型进行仿真的软件很多,如ADAMS、CSSL、CSMP、ACSL等。
2.2国内研究现状
我国已有几十年生产被动式筒式液阻减振器的历史,并具有较大的生产规模,目前国产汽车应用的各种被动式非充气减振器基本上都是国内生产的。
但我国的筒式液阻减振器技术水平在总体上与国外存在较大差距,甚至对传统的被动式非充气减振器的设计开发技术也尚未完全掌握,产品结构单一,具有自主知识产权的先进减振器产品很少,制造工艺水平也参差不齐,减振器工作稳定性差,早期漏油失效、产生异响噪声等问题仍较普遍且突出,有待深入研究解决。
自20世纪80年代末以来,国内对减振器外特性畸变问题展开了大量的理论分析和实验研究工作,并对减振器与悬架系统的匹配问题进行了探讨,对于减振器的设计开发和生产起到了一定的指导作用。
在减振器建模和仿真分析领域,建立了一些简化的物理参数模型[28][29][30]、等效参数化模型[31]和非参数化模型[32]。
但建立的物理参数模型中对减振器的实际结构做了较大简化,也未深入考虑介质工作温度、摩擦力等因素的影响。
有关减振器等效参数化模型的研究主要是将国外的建模方法应用于国产汽车悬架减振器的建模。
目前对此类方法的一般性建模过程已经掌握,但针对减振器的应用研究有待于进一步开展。
对于非参数化建模方法的研究目前仅限于对实验测试结果的简单拟合[32]。
3.研究目标和内容
3.1研究目标
本论文结合项目针对轿车悬架系统液压减振器的阀系参数设计与气体反弹力进行研究。
重点研究建立物理模型推导数学计算公式,通过编程计算获取减振器示功图和速度特性图,并用试验数据进行验证。
其次,温度对减振器热特性的影响,研究阀系参数的设置规律及各关键参数最优点取值。
3.2研究内容
(1)了解减振器内部结构和工作原理,掌握其阻尼力产生机理。
(2)建立液压减振器的精细的AMESim液-固耦合模型,研究其动态特性,得出示功图和速度特性曲线。
(3)进行试验测试其动态特性,验证所建立模型的正确性。
(4)研究阀片形式、阀片刚度、开阀速度点对其动态特性的影响。
(5)研究常通节流孔面积、节流阀片厚度、垫圈厚度、阀片预变形量和最大限位间隙对减振器性能的影响。
4.关键理论和技术
4.1关键理论
1.流体层流与紊流的理论
液压减振器工作时其内部的油液流动非常复杂,包括层流和紊流两种状态。
减振器油液的平均流速v、管径d和运动粘度u决定了其油液的流动状态。
即雷诺数=vd/u。
当其小于临界雷诺数时为层流,大于临界雷诺数时是紊流。
由于阀口处油液流速比较大,将其看作是紊流,其余部分看作层流。
2.气穴现象
气穴多发生在阀口处。
由于阀口的通道狭窄,液流速度大,压力大幅度下降,以致溶解在油液中的气体分离出来,产生气穴。
一定温度时,液体有一个饱和蒸汽压,即液体分子汽化和液化过程处于平衡状态时的压力。
当压力小于饱和蒸汽压时,液体就沸腾汽化。
3.油液的沿程压力损失和局部压力损失
减振器内部的压力损失包括两个部分,即沿程压力损失和局部压力损失。
沿程压力损失大多发生在细长孔(如活塞孔)和活塞与工作缸之间的缝隙部位,而局部压力损失大多发生于减振器阀片阀口处。
在对减振器参数设计和特性分析时,应根据减振器不同的速度,确定活塞孔的油液流动状态,采用不同的沿程阻力系数。
例如,在设计常通孔节流面积时,活塞孔按层流分析计算;在设计节流阀片厚度时,活塞孔按紊流计算。
此外,油液在流经活塞孔以及复原阀体内腔时,会产生突然扩大、突然缩小和改变方向三种局部阻力损失。
4.减振器高频畸变特性
高频畸变特性是由于减振器在工作过程中回油不畅,或者是制造上的精度不够,亦或是减振器油液泡沫化引起的。
其主要特点是在工作过程中某一时段内阻力突然变小,尤其是在复原行程初始阶段,补偿腔内的油液不能够及时的向下腔补给充足的油液,导致下腔压力过小,油液出现泡沫化,甚至发生气蚀。
反映在示功图和速度特性曲线上表现为:
示功图不饱满,速度特性曲线发生高度非线性问题。
具体如图4-1所示。
图4-1发生高频畸变现象时的示功图与速度特性曲线
4.2关键技术
液压减振器动态特性研究的关键技术有:
1.流体力学理论知识
2.工程传热学理论基础
3.减振器考虑阀系参数及温度推导计算公式
4.开阀前阻尼特性
5.开阀后阻尼特性
6.阀系参数的优化
7.阀系主要设计参数的提取
8.减振器性能稳定性的优化和方案的实现
5.技术路线
减振器液-固耦合建模与仿真研究技术路线如图5-1所示:
图5-1技术路线图
(1)拆解A级轿车悬架的液压减振器进行研究,详细的了解其内部结构,测量其各部件的几何尺寸,以最终掌握其阻尼力产生机理。
(2)建立减振器工作的流体力学模型,并考虑不同阀片结构,稳态工况,传热过程三种不同情况。
(3)推导减振器数学模型,并逐渐细化。
(4)与台架试验作对比验证模型的准确性。
(5)提取影响减振器性能的关键参数。
(6)选择优化方案对关键参数优化并取最优值。
6.现有研究条件和工作基础
6.1现有研究条件
由于本课题是“基于A级车减振器AMESim建模分析技术开发”项目的一部分,因此从研究的意义层面上讲,已经通过了相关专家们的评定和审核。
此课题是与一汽技术中心合作的项目,因此在研究过程中可以充分利用一汽技术中心的相关资源。
一汽技术中心具有大量的技术人员和高级工程师,可以在技术上给予一定的指导;一汽技术中心的先进试验装备更为研究的过程中提供了试验支持。
6.2工作基础
1.液压减振器的结构图
通过对减振器结构的拆分,可以得出其基本结构如下图所示。
图6-1液压减振器结构原理图
图6-2液压减振器复原阀
图6-3液压减振器流通阀与活塞
图6-4液压减振器补偿阀与底阀
图6-5液压减振器压缩阀
2.液压减振器动态试验
由于建立的模型需要用试验验证其正确性,因此需要对液压减振器进行动态特性试验。
液压减振器的动态特性试验已在MTS试验台上顺利完成。
试验测得了在振幅为50mm,五个不同频率激励下的动态响应数据。
经处理后得到的液压减振器示功图和速度特性图如下所示。
图6-6液压减振器示功图
图6-6液压减振器速度特性图(频率:
1.67Hz)
仿真得减振器示功图和速度特性特性图如图6-8、6-9所示。
图6-8液压减振器仿真示功图
图6-9液压减振器仿真速度特性图
通过对比,可得到减振器仿真示功图和速度特性图与试验数据吻合良好,证明该模型准确可靠。
7.工作计划及预期成果
7.1工作计划
本论文的具体工作计划如下:
7.2预期成果
8.主要参考文献
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