（动力机械及工程专业论文）基于人工神经网络的曲轴扭振优化分析.pdf

中文摘要 现代发动机有很多指标，如可靠性、安全性、振动噪声、节油性能等等。虽 然目前可靠性和节油性能都十分重要，可是振动噪声性能也越来越受到关注，成 为评价发动机整体性能的重要指标之一。政府法规对发动机噪声与振动的要求也 越来越高，相应的法规也已经出台，且在不断严格。 曲轴系统的动态特性对发动机的振动噪声有着重要的影响，研究曲轴系统的 动态特性以及进行减振优化设计是发动机现代设计的重要方向。随着控制技术的 发展和成本的降低、新材料的应用、测试技术不断完善、计算机软件的开发，发 动机振动噪声技术的发展非常迅速。c a e 软件的发展使得采用数字模型预测发 动机振动与噪声成为可能。本文采用虚拟仿真技术、有限单元法、柔性多体动力 学方法对轴系的扭振特性进行研究，并利用人工神经网络方法对曲轴扭振减振器 进行优化设计。本文研究主要内容如下： 首先介绍了国内外曲轴研究方法的进展，采用有限元方法( f e m ) 和多体动 力学( m b d ) 相结合的方式进行曲轴动力学研究，分析了该方法的可行性与有 效性。 以有限元动态特性分析为基本手段，建立了x 8 1 7 0 z c 型柴油机曲轴的三维有 限元模型，并进行模态研究，分析了该机曲轴的固有频率和振型，为曲轴运动件 系统动力学分析奠定了基础。 针对本文的研究目的建立了一个有效的曲轴系统动力学分析的虚拟样机，并 详细介绍了模型的建立步骤。通过仿真分析，计算了轴系的扭振情况，通过比较 计算结果与扭振实验测量结果，验证本研究方法具有较高的可靠性和实用性。 将人工神经网络引入轴系的动力学优化设计，用神经网络描述设计变量与扭 振振幅之间的非线性映射关系。根据已有的计算结果进行样本学习，根据学习好 的样本，以扭振减振器设计变量的取值区域为限制，搜索目标函数最优解。实现 轴系振幅的人工神经网络修改。对优化后的轴系重新进行了扭振分析，验证优化 效果，同时对改进后的曲轴动态应力和安全系数进行了评估。 关键词：曲轴系统；扭转振动；多体动力学；有限元分析；人工神经网络； 优化设计 a b s t r a c t t h e r ea r es e v e r a lt a r g e t st oe v a l u a t ei n t e r n a lc o m b u s t i o n ( i c ) e n g i n e ，s u c ha s r e l i a b i l i t y , s e c u r i t y , e c o n o m y , v i b r a t i o na n dn o i s ea n d s oo n a l t h o u g hr e l i a b i l i t ya n d e c o n o m y a r ei m p o r t a n t ，v i b r a t i o na n dn o i s ea r eb e c o m em o r ea n dm o r es i g n i f i c a n t a n da r ek e yc r i t e r i o nf o ri c e n g i n ep e r f o r m a n c e t h eg o v e r n m e n tr e g u l a t i o nf o ri c e n g i n ev i b r a t i o na n dn o i s ei sa l s os t r i c t e ra n ds t r i c t e r t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc r a n kt r a i nh a v ev i t a li n f l u e n c eo ni c e n g i n e v i b r a t i o na n dn o i s el e v e l t h em o d e me n g i n ed e s i g ni n c l u d e sc r a n kt r a i ns y s t e m d y n a m i ci n v e s t i g a t i o na n dr e d u c i n gt o r s i o no p t i m i z a t i o n t h ed e v e l o p m e n to fi c e n g i n ev i b r a t i o na n dn o i s er e s e a r c ht e c h n o l o g yi sr a p i db e c a u s es e v e r a lr e a s o n st h a t t h ee v o l u t i o no fc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h ef a llo fr e s e a r c hc o s t ，t h eu t ili z a t i o no fn e w m a t e r i a l ，t h ea d v a n c e m e n to ft e s t i n gt e c h n o l o g y , t h ee x p l o i t a t i o n o fc a l c u l a t i n g s o f t w a r ea n ds oo n i ti sl i k e l yt ou s ed i g i t a lm o d a lt of o r e c a s ti c e n g i n ev i b r a t i o n a n dn o i s el e v e lb yt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra s s i s t a n te n g i n e e r i n g ( c a e ) t e c h n o l o g y t h i sp a p e ru s e sv i r t u a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ， m u l t i b o d yd y n a m i c s ( m b d ) t oa n a l y z ec r a n kt r a i ns y s t e mt o r s i o n a lv i b r a t i o n ，a n d l a t e r , r e d u c e st o r s i o n a lv i b r a t i o nb yu t i l i z i n ga r t i f i c i a ln e u t r a ln e t w o r k ( a n n ) t o o p t i m i z et o r s i o n a ld a m p e r t h em a i np o i n t so f t h et h e s i sa r ef o l l o w e d ： f i r s t l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h er e s e a r c ho f c r a n kt r a i nt o r s i o n a lv i b r a t i o ni ni c e n g i n ei n d u s t r yb o t hi nd o m e s t i co r g a n i z a t i o n sa n di no v e r s e a si n s t i t u t i o n s c o u p l i n g f e ma n dm b dt oi n v e s t i g a t ec r a n kt r a i ns y s t e m t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e sf e a s i b i l i t y a n dv a l i d i t yo ft h i sk i n do fm e t h o d t h et h e s i sc o n d u c t st h ef e ma n a l y s i so nt h ec r a n k s h a f to fx 8 17 0 z cd i e s e l e n g i n et of i n do u tt h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d a ls h a p e so fi t t h ef em o d e l so f t h ec r a n k s h a f ta r et h eb a s iso ft h ed y n a m i c sa n a l y s i so ft h e c r a n k s h a f ts y s t e m t h ep a p e rd e s c r i b e sap r o c e s so fc r e a t eav i r t u a le n g i n em o d u l et h a ti ss u i t a b l e f o rc r a n kt r a i ns y s t e mi n v e s t i g a t i o n ，a n dt h e n ，i n t r o d u c et h ed e t a i l e dw o r ks t e p s c a l c u l a t et h ec r a n kt r a i ns y s t e mt o r s i o nc o n d i t i o n sb ys i m u l a t i o na n a l y s i s t h i sp a p e r c o m p a r e st h ec a l c u l a t i n gr e s u l ta n dt o r s i o ne x p e r i m e n tr e s u l tt ov a l i d a t et h i sk i n do f m e t h o di sr e l i a b l ea n dp r a c t i c a l i no r d e rt o o p t i m i z et h et o r s i o n a ld a m p e ra n dr e d u c ea m p l i t u d eo ft o r s i o n a l v i b r a t i o n t h et h e s i si n t r o d u c e sa n ni n t ot h i sr e s e a r c h t h ep a p e ru s e sa n nt o d e s c r i b et h en o n l i n e a rm a p p i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt o r s i o n a ld a m p e rd e s i g n v a r i a b l e sa n da m p l i t u d eo ft o r s i o n a lv i b r a t i o n t h e n ，p e r f o r m i n gl e a r n i n gp r o c e s sb y u s eo fs i m u l a t i o nr e s u l t s n e x t ，s e tt o r s i o n a ld a m p e rd e s i g nv a r i a b l e sv a l u es p a na s l i m i t a t i o nt os e a r c ht h eb e s ts o l u t i o no ft a r g e tf u n c t i o nb a s e do nt h es u c c e s s f u l l y t r a i n e ds a m p l e t h i sp r o c e s sc a r r i e so u tr e d u c i n ga m p l i t u d eo ft o r s i o n a lv i b r a t i o no f c r a n kt r a i ns y s t e mb ya n n a f t e rt h a t ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e s t o r s i o n a lv i b r a t i o n c o n d i t i o na n dt h ed y n a m i cs t r e s sa n df a t i g u ef a c t o r so fs a f e t yo fo p t i m i z e dc r a n k t r a i n s y s t e mt ov a l i d a t ew o r ke f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c r a n kt r a i ns y s t e m ，t o r s i o n a lv i b r a t i o n ，m u l t i b o d yd y n a m i c s ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a r t i f i c i a ln e u t r a ln e t w o r k ，o p t i m a ld e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名倪尹健签字日期护7 年夏月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 靴敝储躲缁催 新龇 签字日期：孙叩年灵月fe l签字日期：嚼爻月厂日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 经过一百多年的发展，汽车工业目前已经成为一个极其庞大的产业，是整个 全球经济的支柱。汽车成为发达国家中不可替代的交通工具。近3 0 年来，汽车 工业在发展中国家得到了飞速的发展，如巴西、韩国、印度尼西亚等都是最近才 发展起来的。中国在八十年代中期开始投入大量资金发展汽车工业，年产量从 1 9 9 2 年的1 0 0 万辆发展到2 0 0 2 年的超过3 0 0 万辆，年均增长率达到1 5 ，提前 三年达到”十五”计划的目标，实现了历史性的跨越，进入了世界汽车生产大国的 行列，这为我国国民经济在新世纪中继续保持快速发展和人民生活质量的稳步提 高奠定了坚实的基础。 国务院在1 9 9 4 年颁布了我国第一部产业政策一汽车工业产业政策，强化 了国家对汽车工业发展的宏观政策引导，之后的几年里，又相继颁布了与汽车工 业发展相关的多项管理政策和技术法规。这期间，汽车产量从1 0 0 万辆增加到 2 0 0 万辆，我国用了8 年时间，而从2 0 0 万辆到3 0 0 万辆，我国仅用了两年时间。 2 0 0 6 年底我国已经形成年产汽车7 0 0 万辆。中国已成为仅次于美国和日本的世 界第三大汽车生产国，跨入了世界汽车生产大国的行列。近年来，汽车工业整体 管理水平和技术素质都得到了巨大的提升，表明汽车产品可靠性的汽车首次故障 里程及平均无故障间隔里程有成倍的增长，轿车的平均无故障里程已达1 5 万公 里，一些轿车首次故障里程已达到3 万公里，载货车平均无故障间隔里程已达1 万公里以上。 近年来，由于汽车保有量的不断上升，汽车工业已经是一个国家乃至全球经 济的支柱，但是从7 0 年代首次爆发能源危机以来，它所面临的挑战日趋严重： ( 1 ) 7 0 年代全球能源危机的爆发，使节能成为一个永恒的主题； ( 2 ) 8 0 年代全球温室效应( g r e e n h o u s e ) 的加剧，使汽车有害气体排 放成为“众矢之的 ； ( 3 ) 9 0 年代汽车的环境污染，排放和噪声得到广为关注； ( 4 ) 2 1 世纪汽车新型替代能源燃料电池的出现，引发内燃机行业危机。 因此，“能源”和“环境”这两个目标已经成为汽车发动机技术发展的推动 力。 第一章绪论 据统计，交通噪声是城市环境噪声污染的主要来源，其能量通常占环境噪声 总能量的7 0 8 0 。根据欧洲的一项调查，白天约4 0 的人口暴露在5 5 d b ( a ) 以上的道路交通噪声之下，2 0 人口的暴露水平更是超过了6 5 d b ( a ) 。由此可 以看出汽车噪声已经成为危害人们日常生活中主要污染源之一，目前国内外都加 强了对车辆噪声的立法，以限制噪声污染。图l l 为欧共体国家对噪声的限制 标准，可以看到欧共体从1 9 7 0 年的8 2d b ( a ) 到1 9 9 5 年的7 4d b ( a ) ，噪声降 低了8d b ( a ) 。如果考虑到发动机功率加大和路面条件变好，那么实际上对降低 汽车噪声的要求还不止8d b ( a ) ，未来的发展趋势为7 1d b ( a ) 。为了降低车辆和 发动机在行驶中的噪声辐射，国外学者在9 0 年代初期提出了n v h 概念( n o i s e ， v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ，) ，其核心内容在于振动。目前，对汽车噪声的控制 正在由“亡羊补牢”向“未雨绸缪”发展。国外一些汽车公司已将噪声控制的理 念和技术纳入到新车型设计流程的关键环节乜 5 1 ，例如概念设计、技术设计以及 改进设计等阶段，以期从设计源头上确保车辆的n v h 品质。 图卜1 欧共体国家不同时期通过噪声标准 国内对汽车振动噪声问题的重视程度也越来越高，并由国家环保总局提出和 批准了相应的国家标准( g b l 4 9 5 2 0 0 2 ) ，如表1 一i 所示。但是通过表中国家标 准和欧洲标准相对比可以发现，我国的汽车噪声标准较国外先进水平滞后1 5 2 0 年，相当于国外9 0 年代中期的水平。 第一章绪论 表1 - 1 中国汽车噪声标准 g b14 9 5 2 0 0 2 汽车e c er 5 i 0 0 第一阶段 e c er 5 i o l第二阶段e c er 5 i 0 2 类型1 9 8 2 1 0 12 0 0 2 1 0 11 9 8 8 1 0 12 0 0 5 1 11 9 9 5 1 0 1 18 07 77 77 47 4 28 17 87 87 67 6 38 l7 97 97 77 7 48 38 28 08 07 8 58 58 58 38 38 0 68 38 38 l8 l7 7 78 68 68 38 37 8 88 88 88 48 48 0 众所周知，发动机是汽车的“心脏 ，负责提供动力输出。随着发动机朝着高速、 轻型、大功率方向发展，其振动噪声问题也日趋严重，但同时人们对振动噪声控 制的要求，却日益严格。这种矛盾促使人们对发动机的振动噪声的研究给予更多 的关注。是否具备良好的振动、噪声、运行平顺性( n v h ) 将是决定发动机性能 优良程度的关键因素之一。噪声与排放一起，在一定程度上决定着未来发动机 发展的方向和生存条件。 曲轴是发动机中最重要的零部件之一，它的结构参数在很大程度上不仅影响 着发动机的整体尺寸和质量，而且也影响着发动机的可靠性和寿命。随着发动机 的发展和强化，曲轴的工作条件愈来愈苛刻。发动机在工作时，由于气体爆发压 力及零部件的往复惯性力和离心惯性力，使得轴系在运转时产生剧烈的振动。轴 系的振动一般来将会产生下面几方面的危害：一是扭转振动、弯曲振动及其相互 的耦合振动，这会使曲轴工作在交变负荷下，长期作用会引发曲轴断裂，导致主 机发生致命性故障，这对某些特殊用途的动力装置如坦克、船舶等尤为重要；其 次，曲轴振动通过主轴承座传递给气缸体，从而有机体表面辐射出噪声，或引起 机体表面安装附件的振动和噪声研究表明，机体表面的噪声辐射占整个发动机噪 声辐射声功率的6 5 左右；第三，轴系的振动通过悬置或安装支座传递给承载车 辆或地基，引起整个车辆或地基的振动；最后内燃机的许多附属机构都直接从曲 轴获取动力，如配气机构、燃油喷射系统等，曲轴的振动会引起配气相位、供油 定时、供油量、点火正时变动很大，使得各缸工作不均匀，循环变动加剧，最终 加剧了整个发动机的振动和性能恶化1 。所有这些都表明，曲轴的振动是影响发 动机生产、设计、制造和使用中的一个很重要因素，必须对发动机采取有效的减 振和隔振措施。准确地预报发动机轴系的振动状况是一个非常重要的研究内容。 第一章绪论 1 2 发动机轴系扭转振动研究进展 1 2 1 轴系扭振研究意义 发动机轴系的扭转振动是机械动力学科的一个分支，是发动机动力学的一部 分，在热动力装置发展初期，由于当时技术水平的限制，在相当长的一段时间内， 在轴系的强度设计工作中，是把轴系按绝对刚性处理的。当时认为，轴系中的应 力变化完全取决于载荷或其受力情况。但在十九世纪末，在工业发达国家内对发 动机的广泛应用后，由于在动力交通运输部门中所使用的发动机装置中，各种断 轴事故不断发生，这使得工程设计人员认识到，将轴系作为绝对刚体来处理是不 合适的，必须作为弹性体进行研究。从十九世纪末n - - 十世纪初，各种断轴事故 的分析报告及有关文章逐渐出现儿刀，对于扭转振动的研究也逐渐深入。 发动机轴系装置之所以能产生扭转振动，其内因是轴系本身不但具有惯性， 还具有弹性，由此确定了其固有的自由振动特性。外因则是作用在轴系上周期性 变化的激振力矩，该力矩是产生扭振的主要能量来源。对于发动机来说激振力矩 产生的原因是口1 ： ( 1 ) 发动机气缸内气体压力变化产生的激振力矩； ( 2 ) 发动机运动部件的重力和往复惯性力引起的激振力矩； ( 3 ) 接受功率的部件( 如螺旋浆等) 不能均匀地吸收扭矩而形成的激振力 矩。 曲轴系统的振动是引发发动机振动的重要因素。发动机曲轴一般均采用全支 承结构，弯曲刚度较大，弯曲振动一般不会在发动机工作转速范围内产生共振。 对扭转振动而言，由于曲轴较长，扭转刚度较小，而且曲轴轴系的转动惯量又较 大，曲轴扭振的频率较低，在工作转速范围内容易引起共振，如不采取预防措施， 轻则引起较大噪声、加剧其它零件的磨损，重则可使曲轴折断。因此，扭转振动 是发动机设计过程中必须考虑的重要因素。 1 2 2 轴系扭振研究方法 早期的曲轴扭转振动研究主要采用离散化方法。1 9 1 6 年德国工程师盖格尔 ( g e i g e r ) 发明了机械式盖格尔扭振测量仪聃1 ；1 9 2 1 年的国学者霍尔兹( h h o l z e r ) 首次发表文章提出用一种表格法( 通称霍尔兹法) 来分析离散化曲轴无 阻状态下扭转振动的固有频率和振型，适用于自由振动和强迫振动。这种方法在 设计初期用来估算低阶扭振固有频率时较为有效，算法简单、使用方便，在工程实 际中被广泛应用。但其高阶计算的精度较低、计算较费时口1 。后来许多学者 第一章绪论 ，i 1 7 罐熬。_ ”零；鹣敏 u o m ”“毪。h 第一章绪论 豳卜3 曲轴三维有限元分析模型 目前还有许多学者将多体动力学( m b d ) 与有限元( f 刚) 技术相结台计算整 体曲轴系统的振动，咀鼓曲轴振动与机体刚度的耦合响应。如zpm o u r e l a t o s ” 等人，采用有限元子结构方法，完成考虑曲轴机体耦合作用的曲轴系统动态响应 分析系统，用以分析i i 轴的扭转振动、机体刚度对曲轴振动的影响等等。日本学 者mi n a g a k i 1 等人采用有限元方法结合多体动力学方法以及流体动力学油膜模 型完成发动机振动分析系统，用以进行曲轴机体耦台动力学研究，主要包括曲轴 三维振动、机体的振动分析以及发动机的支承系统研究。如图l4 所示。 塑堂吵m ，t 一躺熊褫 曝 删量 懑硒霸玉垂亟 图卜4 轴系分忻虚拟样机 灭津大学的郝志勇教授等将弹性波传播理论( e 1 a s t i cw a v ep io p a g a t l o i l m e t j h o d ，e w p m ) 应用于曲轴轴系振动问题的分析。e w p m 的基本思想是：轴系的扭 转振动是由于扭转弹性波( t o r s i o n a le l a s t i cw a v e ) 沿轴向传播引起的。弹性波 以行波形式沿轴线的正向和反向传播当其中之一经反射或延时后与另一行波相 遇，若相位合适，两者将叠加成为驻波，引起扭振。由于解题过程中仅需要求解 线性方程组，因此其计算量较小，是一种精确、快速的振动分析方法u 。 从已有的研究看，用佧振动汁算的曲轴轴系模型可分为两大类：一类是轴系 质量经离散化后集总到许多集中点的集总参数模型”将曲轴的振动作为纯扭转 振动处理，将曲轴离散化为一系列的集中惯量、集巾刚度，然后计算它在缸内气 第一章绪论 体力和往复惯性力产生的扭矩作用下产生的摆动角度，而且通常将曲轴假定为静 定支撑。集总参数模型的优点是物理概念清晰，使用简单，计算方便。但该模型过 于简化，当需要对曲轴精确计算时，其精度就显得有限。另一类是轴系质量沿轴 线连续分布的分布参数模型，在分布参数模型中，轴系的质量沿轴线连续分布， 因而比集总参数模型更接近于实际。具体又可以分为框架模型堙引、阶梯轴模型瞻玎 和有限元模型伫3 2 副。 现在更多的是采用多体动力学与有限元相结合的办法，研究重心也从单纯的 轴系扭转振动拓宽到三维耦合振动以及轴系与机体耦合作用下的振动。如2 0 0 2 年，北京理工大学覃文洁犯刚采用有限元和多体动力学综合方法，运用有限元程序 a n s y s 和a d a m s 结合进行发动机曲轴系的动力学分析，对其平衡特性和曲轴的扭振 响应进行了分析。又如天津大学的段秀兵瞳7 1 博士、h y i s a a cd u 啪3 以及o m i d r e z a e b r a t 口鲫等人采用有限元技术和多体动力学相结合的思想进行曲轴和机体的耦合 动力学分析。 此外在以前的曲轴扭转振动研究中，主要目的是为了计算曲轴的最大扭转位 移，从而预测出最大扭转应力而满足可靠性的要求。而近些年由于低噪声的要求， 除了要满足发动机运转的可靠性外，还要求尽可能地的噪声行为。因此研究曲轴 的扭转振动和噪声辐射关系的内容也引起人们的重视。 纵观国内外发动机曲轴分析的状况，随着计算机、力学、数学技术的发展， 以计算机模拟仿真技术为主要技术手段的虚拟技术得到了广泛且越来越深入的 应用，建立的数字模型越来越复杂，越来越接近实际的物理模型，产生的效果也 越来越显著，影响日益深远。我国发动机研究工作要追赶世界先进水平，以计算 机模拟仿真技术为主要手段的虚拟技术的应用必将成为我们有力的工具。 1 3 神经网络技术在发动机领域的应用眵0 别 人工神经网络系统理论与应用研究是近几年迅速发展起来的一个国际性前 沿研究领域。人工神经网络( a n n ：a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) 是指利用工程 技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统，是一种大规模并行的 非线性动力学系统。它是从微观结构和功能上对大脑的抽象、简化，是模拟人类 智能的一条重要途径，反映了人脑功能的若干基本特征，具有很强的知识获取能 力、联想记忆能力、并行计算能力、良好的容错能力、自适应能力。人工神经网 络系统理论主要建立在数学、神经生理学、神经解剖学和物理学基础之上，它突 破了传统的以线性处理为基础的思想局限，通过思考、研究和模拟人脑处理复杂 事物和信息的方式，探索和认识更为复杂的系统和现象。 第一章绪论 人工神经网络由大量的人工神经元组成，人工神经元是对生物神经元的简化 和模拟，它是神经网络的基本信息处理单元。神经网络按照拓扑结构可分为层状 结构和网状结构。在层状结构的神经网络中，所有的神经元分为若干层，每层包 含有一定数量的神经元，只有相邻层中的神经元之间可进行通信，同层中神经元 不能相互通信。网状结构神经元的安排没有层次的概念，其中任何两个神经元之 间都可进行通信。在层状结构中，通信常是单向的，在网状结构中可以是双向的。 人工神经网络是一种黑箱建模工具，常见的模型有基本模型( f u n d a m e n t a l m o d e l ) 和黑箱模型( b l a c kb o xm o d e l ) 黑箱模型是在对所研究现实系统一无所知 的情况下，将现实系统视为“黑匣子”，而仅借助于输入和输出数据。透过数学 技巧来决定系统的模式。神经网络就是这样一种黑箱建模工具，如图1 5 所示， 与其他方法相比，具有如下优点： ( 1 ) 较强的适应能力； ( 2 ) 较强的学习能力； ( 3 ) 是真正的多输入多输出系统。 图卜5 人工神经网络黑箱模型 人工神经网络从微观上对人脑的智能行为进行描述，网络的智能存在于其结 构及自适应规则之中。通过观测样本，神经网络能够发现其隐含的信息：经过学 习，建立一个模型该模型受人为支配的程度很小，这样就避免了传统的数据分 析工作，克服了传统建模方法的精度低以及建模时间长的不足。由于采用大量的 非线性处理元件，人工神经网络可以完成复杂的输入输出非线性特性映射。神经 元之间高维、高密度的并行计算结构，决定了神经网络模型具有很强的集体计算 能力，可以完成高维数据的实时处理。由于神经网络模型的建模与计算阶段相分 离的工作方式，随着训练样本数据对的增加，模型可以通过不断地自学习而得到 维护，模拟精度逐步提高。 人工神经网络是与传统计算机系统不同的一种信息处理工具。人工神经网络 具有自学习和自组织能力，并具有联想记忆、模式匹配等功能，特别是其所具有 的信息分布式存贮、大规模自适应并行处理以及高度的容错性等特点，使得人工 神经网络在许多工程领域得到了广泛的应用。由于传统计算机固有的程序化、数 字化串行处理方式，局域式地址存贮特征以及需建立确切的数学模型所带来的种 种限制，使传统的计算机系统在严重非线性化的发动机工程研究领域中的应用遇 第一章绪论 到很大的困难。而人工神经网络具有的分布式信息存贮和并行处理的特点及其处 理非线性问题的能力，可摆脱由传统发动机研究方法所带来的种种限制，有着传 统方式所无法比拟的优势。近年来，由于人工神经网络技术在非线性特性处理方 面所具有的极强能力，在预测模型、发动机仿真、故障诊断、电子控制、系统参 数优化等方面得到了广泛的应用。例如，上海工程技术大学的张介明、龚勉、徐 兆坤建立了发动机外特性神经网络模型，输入参数为发动机转速，输出参数为功 率、转矩，燃油消耗率；江苏理工大学的何仁、周孔亢、吴志敏建立了预测发动 机基本性能的人工神经网络模型，输入参数为功率和转速，输出参数为燃油消耗 率；湖南大学的曾利权、陈晓伟、习纲建立了模拟发动机万有特性的神经网络模 型，输入参数为转速和平均有效压力，输出参数为燃油消耗率和排温，这就相当 于拟合出了燃油消耗率和排温关于转速和平均有效压力的近似函数表达式，在绘 图时，只要在规定范围内重新给出任何输入转速和平均有效压力，己训练好的该 网络就能计算出相应的燃油消耗率和排温，然后用画等高线的方法可很容易地绘 出等油耗线与等排温线，其它的不同型号的发动机性能曲线可用类似的b p 网络 拟合得到。再例如，在进行增压发动机的模拟计算时，对压气机的通流特性和效 率特性进行数值表示是一个比较繁琐的过程。目前，基本上都是采用网格插值和 三维曲面拟合的办法来表示压气机的特性。利用神经网络高度非线性映射的特 点，适当选择网络层数及网格节点数，就可以以任意的精度拟合压气机的特性图， 而且具有较好的推广性能；据此也可以插值出相应原特性图中所不曾有的数据 点，还可以为网格插值法提供正交的节点。这在涡轮增压柴油机模拟计算中对压 气机的模化具有重要的意义。利用神经网络的方法也可以在发动机模拟计算中实 现其它部件的模化，例如实现油泵速度特性以及废气涡轮特性的模化等。 在发动机振动噪声方面主要集中在噪声源识别和控制方面。在低噪声设计领 域中的优化参数选择方面并未见出现相关研究，这就忽略了神经网络中的优化分 析的作用。在结构分析有限元系统与神经网络一文指出，通过对力学系统与 神经网络的稳定过程、有限元离散网络与神经网络的结构以及有限元计算的本质 的分析可知，结构分析有限元系统与神经网络在力学问题分析上是可以等价的， 可以用一个适当的神经网络表达一个具体的力学问题，并加以分析与计算；如果 能将一个多变量优化问题的目标函数描述成某一神经网络的能量函数，就可以用 该神经网络的稳定过程代替原力学问题的求解过程。文献现代优化计算方法在 材料最优化设计中的应用说明了神经网络和遗传算法在工程最优化中的应用。 文章简要介绍三种现代优化算法，综合利用主成分降维技术、人工神经网络技术 和遗传算法技术，在v - - p t c 材料介电性能和五个影响因素之间建立神经网络模 型，然后应用遗传算法搜索最高电阻值和相应的配方。结果表明：现代优化算法 第一章绪论 在分析合理选择的样本数据，总结其中的数值规律，进而对材料性能进行优化设 计方面，具有重要的应用价值。 发动机曲轴扭振减振器参数的优化设计是优化轴系扭振情况的一个十分重 要且有效的方法，目前一般采用有限单元法或有限单元法结合多体动力学方法。 但是这种方法受具体设计者个人经验、知识和能力的限制，不可避免地会作一些 人为的假设和对模型的过度简化，或对模型进行某些强制性约束，从而可能导致 结果不可信。将人工神经网络引入扭振减振器的优化设计中，用神经网络描述设 计变量与轴系扭振情况的非线性映射关系，实现扭振减振器设计参数的人工神经 网络优化，使结构优化设计既可以充分运用人的智能，又不受或少受设计者个人 经验、知识和能力的限制。 因此，本文就是根据神经网络在解决非线性问题的突出优势，针对影响发动 机轴系扭振情况的减振器各个参数建立分析模型，确定优化目标函数，根据各个 参数的边界条件，在允许范围内进行优选求出各参数的近似最优解。 1 4 本文研究内容、方法路线 1 4 1 本文研究内容 曲轴系统的动态特性对发动机的振动噪声有着重要的影响，研究曲轴系统的 动态特性以及进行减振优化设计是发动机现代设计的重要方向。本文采用虚拟仿 真技术、有限单元法、柔性多体动力学方法对轴系的动态特性进行研究，并利用 人工神经网络方法对曲轴扭振减振器进行优化设计。具体的工作如下文所示： 第一章，绪论。介绍了本研究的背景；分析了发动机轴系扭振研究的国内外 进展，并对主要的研究方法做出了叙述；系统地介绍了发动机曲轴机体振动研究、 曲轴机体耦合振动与发动机振动噪声关系的实验研究、虚拟样机技术在曲轴机体 耦合动力学研究中的应用研究的发展与现状。介绍了人工神经网络的基本工作原 理和适用范围，根据其它领域的研究指出采用人工神经网络进行曲轴扭振减振器 优化设计的优势。对全文的工作做出简要介绍。 第二章，讲述本文进行发动机轴系扭振分析所采用的分析方法及理论。主要 介绍虚拟技术的内涵及在发动机上的应用；本文所采用的有限单元法与柔性多体 动力学方法是如何在轴系扭振分析进行应用以及分析流程；介绍本文研究的仿真 平台以及研究对象。 第三章，曲轴动态特性研究。对于曲轴的仿真和优化研究，首先要了解曲轴 的动态特性。考虑求解问题的性质、求解规模和研究的频率范围，建立曲轴系统 第一章绪论 的有限元模型，进行模态分析。 第四章，曲轴柔性多体动力学分析。介绍柔性多体动力学与有限元法相结合 进行研究的实现方法；结合曲轴有限元模型，建立了包括弹性轴系、弹性机体、 简化的弹性连杆活塞组、曲轴与连杆活塞组的非线性弹簧阻尼连接、活塞与缸套 的弹性导向约束连接、扭振减振器、对最高燃烧压力响应及阻止模型持续加速的 传动机理等的多体动力学分析的虚拟样机；研究曲轴扭转振动情况，对比扭振实 验结果，验证模型正确性。 第五章，采用人工神经网络进行曲轴扭振减振器优化设计。介绍人工神经网 络进行减振器参数优化设计的实现方法；确定减振器优化参数、约束条件，建立 优化目标函数；建立减振器参数优化设计神经网络模型，进行样本学习。进行最 优化求解和曲轴扭振优化效果分析。对比轴系优化前后的扭振特性，说明研究方 法的正确性；验证优化后的曲轴强度问题，评估安全系数。 第六章，全文总结。对本文所做的研究工作进行总结，指出不足之处，并对 下一步的研究前景进行展望。 1 4 2 本文研究方法路线 ?。 i 。 t | 。j “： = 绻糙利髓有i i i 元糙型 扭振减振器 创建和更新 参数优化 一彤扩翠牌；擘，一一上z 镬i ， i 一 矩 鬻怯磊 扭振分析 优化效果分析 ? 一籀 痹 结果对比 l 。 ( 扭振、强度) j ： 7 孟 | w l i t ：i ，i ，；、? f ，一。；麓 8l ( 示功图) r _ 嘲多体动力学分析 卜 嗣 优化分析 壤 图卜6 发动机曲轴扭振优化设计研究路线图 第二章基于虚拟技术的轴系扭振研究 第二章基于虚拟技术的轴系扭振研究 曲轴的振动情况直接影响整机的振动和噪声情况，在发动机振动噪声研究中 占据着重要地位。曲轴振动影响机体的振动噪声性能，一般来说有两个途径，主 轴承途径和连杆一活塞一缸套一机体途径。 面临日益严峻的市场竞争压力，如何在尽可能短的时间内，用尽可能低的成 本，生产出质量尽可能高的产品，已成为企业生存和发展的重要条件。虚拟设计 ( v i r t u a ld e s i g n 简称v d ) 技术就是在这样的时代背景下产生的，它属于2 0 世 纪9 0 年代的最新产品开发技术。 2 1 虚拟设计技术在发动机研究中的应用 2 1 1 虚拟设计及虚拟样机的概念 虚拟设计是以“虚拟现实 技术为基础，以机械产品为对象，充分地利用了 模拟仿真技术的设计手段哺。具体来说，虚拟设计技术就是在虚拟的条件下，对 产品进行构思、设计、制造、测试和分析。它的显著特点之一就是利用存储在计 算机内部的数字化模型虚拟产品来代替实际物体模型进行仿真、分析，从而 提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多目标中的决策水平，达到全局优 化和一次性开发成功的目的哺羽。 “虚拟样机”( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 则是根据要仿真的现实世界特性的不同， 以c a d 技术及虚拟设计技术为技术支持的，以面向图形和人机交互的方式进行 的，用以预测、验证或抽象对象系统真实特性而建立的数字化概念模型。在具体 的操作当中，将这样的模型扩展、衍生到产品生命周期的不同阶段，建立与物理 样机相一致的数字化仿真模型，并对该模型进行评估和测试。 确切地讲，虚拟样机的“加入”丰富了的虚拟设计的内容，在工程上使后者 结论的可靠性大大增加。但是，虚拟样机仅仅是“服务于 整个的虚拟设计过程， 它外在于或独立于具体的设计过程而存在虚拟样机构建完成后，真正的设计工 作还没有完全展开，仅仅是虚拟样机可以部分替代传统设计经验为设计者提供更 为高速、可靠的预测或评估“依据 。 虚拟样机技术是在c a x ( 如c a d 、c a m 、c a e 等) 等技术基础上的发展。它进 一步融合信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，将这些技术应用于复杂系统 第二章基于虚拟技术的轴系扭振研究 全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。并且，利用虚拟样机可代替物理 样机对产品进行创新设计、测试和评估，缩短开发周期，降低成本，改进产品设 计质量，提高面向客户与市场需求的能力。 2 1 2 虚拟样机技术的构成及应用 虚拟样机技术的开发与实施涉及许多关键技术与相关研究领域，如系统总体 技术、建模仿真技术、虚拟现实技术、产品建模技术、模型校验、验证和确认技 术、支撑平台框架技术等。其核心是工程设计、建模仿真和v r 可视化这三类 技术的集成技术啼引，如图2 一l 所示。 近年来，虚拟样机技术得到飞速发展，其 发展表现在：建模技术已从对实体的建模，发 展到对环境的建模和对人类自身行为的建模； 仿真计算机从专用仿真机发展到通用个人计 算机、大型机及并行机；人机交互由初期的图 形支持，到动画，交互式仿真，进一步发展到 基于矢量的图形支持：仿真环境从支持数学仿 真和半实物仿真发展到能支持构造仿真、虚拟 仿真和实物仿真的并行、分布、交互、综合仿 真环境；在产品建模技术上，经历了主要集中 在对产品的几何信息描述上，到目前的虚拟样 图2 - 1 虚拟样机的结构 机包含了许多非几何的信息，尤其是系统的动态行为信息；以往的样机模型反映 描述了真实世界的某一特定方面( 从静态或动态系统行为) ，即是一种单模式建 模策略。随着被建模系统复杂程度的越来越高，为提高建模质量和有效性，支持 模型的重用与互操作，面向对象建模技术、通用建模与模型抽象技术和层次化 多视图建模技术己被应用于产品建模的过程中。先进的产品建模技术将进一步解 决传统产品模型在开放性、可扩展性、可获取性、可重用性和互操作性等上的不 口f 5 4 】 匕。 随着虚拟样机技术的不断发展，该项技术已经被广泛地应用在汽车制造业、 工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等不同领域中。世界著名的 制造公司在生产开发过程中广泛地应用虚拟样机技术，波音飞机公司7 7 7 飞机的 设计就是采用虚拟开发技术的典型实例，开发周期从通常的8 年减少到5 年，设 计、装机、测试均是在计算机中模拟完成，初步做到无纸设计，保证了一次试制 成功。又如在克莱斯勒公司，已采用虚拟产品建模。在福特汽车公司，虚拟分析 样机已很普遍。目前，国际上已经出现虚拟样机技术的商业软件，其中应用最广 第二章基于虚拟技术的轴系扭振研究 泛的是由美国m d i 公司( m e c h a n