不确定汽车盘式制动器系统的稳定性分析与优化

发布时间：2017-08-14 16:37

  本文关键词：不确定汽车盘式制动器系统的稳定性分析与优化

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【摘要】：随着人们对汽车舒适性要求的日益提高,汽车制动噪声问题引起了汽车制造商和消费者的高度关注,开展制动噪声的控制研究具有重要的实际意义。目前,制动器系统的稳定性分析与优化技术是分析和控制汽车制动噪声最直接和最有效的方法。常见的汽车盘式制动器系统的稳定性分析与优化技术一般基于传统的确定性分析模型。然而,不确定性因素广泛地存在于各类工程实际问题中,汽车盘式制动器系统不可避免地存在着与磨损、制造及测量误差、材料老化等紧密相关的众多不确定性。这在一定程度上限制了传统分析技术在制动器系统稳定性分析与优化中的应用。因此,需要发展一套系统而完整的不确定汽车盘式制动器系统的稳定性分析与优化方法,以对制动噪声进行有效评估和控制。本文在国家自然科学基金(11572121和11402083)的资助下,围绕不确定汽车盘式制动器系统的稳定性分析与优化展开深入系统的研究。通过借助不同类型的不确定分析模型,构建具有工程实用价值的不确定汽车盘式制动器系统的稳定性分析及优化方法,并提出相应的不确定性分析及优化流程,以对系统稳定性进行有效评估和改善。在此基础上,建立完整而系统的不确定汽车盘式制动器系统的稳定性分析与优化方法。本文开展并完成了如下研究工作:(1)应用复特征值分析法和瞬态动力学分析法对汽车盘式制动器系统的稳定性进行了分析,并重点对两种方法的计算效率和预测结果进行了对比。分析结果表明:复特征值分析法的计算效率明显高于瞬态动力学分析法;但复特征值分析法对制动器系统稳定性的预测结果显得相对保守。(2)针对基于有限元的制动器系统稳定性分析需要反复调用有限元仿真模型,从而导致数值分析及优化效率低下的问题,结合拉丁超立方试验设计方法和响应面法,建立了制动器系统目标特征值实部、虚部和阻尼比的代理模型。采用基于方差分析的F检验、复相关系数和修正的复相关系数对所建立的响应面代理模型进行了误差分析,结果表明:所建立的响应面代理模型是统计显著的且具有较高的拟合精度,能有效用于后续分析与优化研究。(3)针对汽车盘式制动器系统不确定参数样本信息充足的情形,提出了基于随机模型的不确定汽车盘式制动器系统的稳定性分析方法。采用该方法对随机不确定制动器系统的稳定性进行分析,结果表明:该方法能有效地求解系统目标特征值实部、虚部和阻尼比的概率信息(如均值、标准差、变异系数和置信区间等),进而能有效评估和改善随机不确定制动器系统的稳定性。(4)针对汽车盘式制动器系统不确定参数样本信息相对匮乏的情形,提出了非概率不确定汽车盘式制动器系统的稳定性分析方法,重点研究了基于区间模型、模糊模型和证据理论模型的不确定制动器系统的稳定性分析问题。其中,针对仅知系统参数上下界的情形,提出了基于区间模型的不确定制动器系统的稳定性分析方法;针对系统参数存在模糊特性的情形,提出了基于模糊模型的不确定制动器系统的稳定性分析方法;针对系统参数信息不完全甚至是冲突的情形,提出了基于证据理论的不确定制动器系统的稳定性分析方法。数值分析算例验证了以上方法的有效性和实用性。(5)针对汽车盘式制动器系统一部分不确定参数信息充足而另一部分不确定参数信息不足,或者不确定参数的关键分布参数无法精确给定的情形,提出了混合不确定汽车盘式制动器系统的稳定性分析方法。分别采用随机与区间混合变量、带区间变量参数的随机变量对上述两类参数不确定性进行描述,建立了基于随机与区间、区间随机两类混合不确定模型的可靠性分析方法;接着,将可靠性分析方法引入到系统稳定性分析中,建立了两类混合不确定制动器系统的稳定性分析模型;最后,基于稳定性分析模型计算系统目标特征值达到设计要求的可靠度上下界,进而对系统稳定性进行评估和改善。采用以上方法对混合不确定制动器系统的稳定性进行了数值分析,结果验证了方法的有效性。(6)针对混合不确定汽车盘式制动器系统同时存在随机和区间不确定性的情形,提出了混合不确定汽车盘式制动器系统的稳定性优化方法。该方法首先采用随机与区间混合变量或带区间变量参数的随机变量对系统的不确定性进行描述;然后结合可靠性优化技术,分别建立了随机与区间、区间随机两类混合不确定制动器系统稳定性优化的数学模型,两种优化模型分别以响应置信区间上限的上界和响应均值的上界为优化目标;最后,针对两种可靠性优化模型分别提出了相应的数值求解流程。分别应用两种可靠性优化模型对随机与区间、区间随机混合不确定汽车盘式制动器系统的稳定性进行优化设计,结果验证了方法的有效性。本文对不确定汽车盘式制动器系统的稳定性分析与优化方法进行了深入系统的研究。针对不同的参数不确定情形,分别提出了相应的不确定制动器系统稳定性分析及优化方法,形成了系统完整的不确定汽车盘式制动器系统的稳定性研究方法。工程实际中,采用何种方法对制动器系统稳定性进行分析或优化,主要取决于对系统不确定参数信息的具体掌握情况。本文研究思路和方法能有效应用于不确定汽车盘式制动器系统稳定性的分析与优化设计,在汽车制动噪声控制领域具有良好的工程应用前景。
【关键词】：制动噪声 稳定性分析 优化设计 随机不确定 区间不确定 模糊不确定 证据理论 混合不确定
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.512
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 第1章 绪论19-46
• 1.1 课题研究的背景及意义19-20
• 1.2 摩擦噪声现象及系统稳定性理论20-22
• 1.2.1 摩擦噪声现象20-21
• 1.2.2 系统稳定性理论21-22
• 1.3 制动噪声产生机理及研究方法22-31
• 1.3.1 制动器结构及工作原理22-23
• 1.3.2 汽车制动噪声23-24
• 1.3.3 制动噪声产生机理24-30
• 1.3.4 研究方法30-31
• 1.4 不确定分析模型31-35
• 1.4.1 概率不确定模型32
• 1.4.2 非概率不确定模型32-34
• 1.4.3 混合不确定模型34-35
• 1.5 汽车制动噪声的国内外研究现状35-42
• 1.5.1 基于确定性分析的制动噪声研究现状35-40
• 1.5.2 基于不确定性分析的制动噪声研究现状40-42
• 1.6 研究思路与主要研究内容42-46
• 1.6.1 问题的提出42
• 1.6.2 研究思路42-43
• 1.6.3 研究内容及章节安排43-46
• 第2章 基于有限元的汽车盘式制动器稳定性数值分析46-62
• 2.1 引言46
• 2.2 汽车盘式制动器的有限元模型46-49
• 2.2.1 有限元分析方法46-47
• 2.2.2 盘式制动器的有限元模型47-49
• 2.3 基于有限元的制动器系统复特征值分析49-55
• 2.3.1 复特征值分析技术49-50
• 2.3.2 制动器系统的复特征值分析步骤50-51
• 2.3.3 数值分析及结果讨论51-55
• 2.4 基于有限元的制动器系统瞬态动力学分析55-61
• 2.4.1 瞬态动力学分析技术55-56
• 2.4.2 制动器系统的瞬态动力学分析步骤56-57
• 2.4.3 数值分析及结果讨论57-61
• 2.5 本章小结61-62
• 第3章 汽车盘式制动器系统稳定性分析的代理模型62-79
• 3.1 引言62
• 3.2 代理模型技术基础62-70
• 3.2.1 试验设计62-66
• 3.2.2 近似方法66-70
• 3.3 代理模型误差分析70-71
• 3.4 代理模型构建流程71-72
• 3.5 基于响应面法的盘式制动器稳定性分析模型72-78
• 3.5.1 参数选择73-74
• 3.5.2 试验设计74
• 3.5.3 模型建立74-77
• 3.5.4 误差分析77-78
• 3.6 本章小结78-79
• 第4章 概率不确定汽车盘式制动器的稳定性分析79-93
• 4.1 引言79
• 4.2 汽车盘式制动器的不确定性介绍79-80
• 4.2.1 摩擦副特性不确定79
• 4.2.2 几何特性不确定79-80
• 4.2.3 部件材料特性不确定80
• 4.2.4 载荷特性不确定80
• 4.2.5 分析模型不确定80
• 4.3 制动器稳定性的全局灵敏度分析80-83
• 4.3.1 Sobol′法全局灵敏度分析81-82
• 4.3.2 基于Sobol′法的制动器稳定性全局灵敏度分析82-83
• 4.4 基于随机模型的不确定制动器系统稳定性分析83-91
• 4.4.1 随机模型理论83-84
• 4.4.2 分析步骤84-85
• 4.4.3 分析结果及讨论85-91
• 4.5 本章小结91-93
• 第5章 非概率不确定汽车盘式制动器的稳定性分析93-115
• 5.1 引言93-94
• 5.2 基于区间模型的不确定制动器系统稳定性分析94-100
• 5.2.1 区间模型理论94
• 5.2.2 分析步骤94-95
• 5.2.3 分析结果及讨论95-100
• 5.3 基于模糊模型的不确定制动器系统稳定性分析100-108
• 5.3.1 模糊模型理论100-102
• 5.3.2 分析步骤102
• 5.3.3 分析结果及讨论102-108
• 5.4 基于证据理论的不确定制动器系统稳定性分析108-113
• 5.4.1 证据理论108-109
• 5.4.2 分析步骤109-110
• 5.4.3 分析结果及讨论110-113
• 5.5 本章小结113-115
• 第6章 混合不确定汽车盘式制动器的稳定性分析115-131
• 6.1 引言115-116
• 6.2 基于混合不确定模型的可靠性分析116-118
• 6.2.1 基于随机与区间不确定模型的可靠性分析116-117
• 6.2.2 基于区间随机不确定模型的可靠性分析117-118
• 6.3 基于可靠性的随机与区间混合不确定制动器稳定性分析118-124
• 6.3.1 分析模型118-120
• 6.3.2 分析步骤120
• 6.3.3 分析结果及讨论120-124
• 6.4 基于可靠性的区间随机混合不确定制动器稳定性分析124-129
• 6.4.1 分析模型124-125
• 6.4.2 分析步骤125-126
• 6.4.3 分析结果及讨论126-129
• 6.5 本章小结129-131
• 第7章 混合不确定汽车盘式制动器的稳定性优化131-148
• 7.1 引言131
• 7.2 随机与区间混合不确定盘式制动器的稳定性优化131-138
• 7.2.1 以响应置信区间为目标的混合不确定优化131-134
• 7.2.2 优化流程134-135
• 7.2.3 优化结果及讨论135-138
• 7.3 区间随机混合不确定盘式制动器的稳定性优化138-145
• 7.3.1 以响应均值为目标的混合不确定优化139-141
• 7.3.2 优化流程141-142
• 7.3.3 优化结果及讨论142-145
• 7.4 几种研究方法的对比总结145-146
• 7.5 本章小结146-148
• 结论与展望148-151
• 参考文献151-163
• 致谢163-164
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）164-166
• 附录B （攻读学位期间参加的科研项目）166

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本文编号：673667