Engine mount response improvement using hybrid modeling and Bayesian optimization

Abstract

This paper presents the results of a study conducted to predict and improve the response of an engine mount using a hybrid model that combines both experimental data and finite element (FE) analysis. The engine mount is the main point of transmission of engine vibration forces to the vehicle body. Therefore, improving the dynamic response of the engine mount improves the overall NVH performance of the vehicle. The hybrid modeling method adopts the substructure synthesis method based on the frequency response function based substructuring (FBS) theory, in this method, a complex dynamic structure is divided into multiple substructures, and the frequency response function (FRF) of the entire system is predicted using the FRFs of individual substructures. This method allows engineers to predict the changes in the experimental FRF of an existing physical system by applying FE analysis only to the substructures that have undergone a design modification. The change in the overall dynamic performance of the system can be predicted by modifying the CAD model of the substructure without preparing a physical model. Furthermore, the optimal design is proposed by applying the Bayesian optimization technique in this paper.

본 논문에서는 차량 엔진 구조물에 대해 실험 데이터와 유한요소 해석 데이터를 모두 이용하는 Hybrid 모델의 부분구조합성법을 통해 엔진 마운트에서의 응답을 예측하는 연구를 수행하였다. Hybrid 모델 부분구조 합성법은 복잡한 전체 시스템을 여러 개의 부분구조로 나누어 각각의 Frequency Response Function(FRF)만으로 전체 시스템의 FRF를 예측하는 FRF Based Sub-structuring(FBS)이론을 기반으로 하며, 특정 부분 구조물은 실험 데이터를 다른 부분 구조물은 유한요소해석 데이터를 사용한다. 이러한 방법은 시스템 일부분의 변화가 시스템 전체에 미치는 영향을 빠르게 파악 할 수 있기 때문에 여러 분야에서 활발하게 연구하고 적용되고 있다. 특히, 제품이 개발된 후 성능개선을 위한 부분 구조물의 설계변경에 따른 전체 시스템의 FRF를 예측하는 데 유용하게 사용된다. 일반적으로 설계변경이 이뤄지는 부분 구조물의 경우 유한요소해석 데이터를 사용하는데 이는 실험 데이터와 달리 실제 물리적 모델 제작 없이 컴퓨터를 이용한 간단한 모델링 변경만으로도 전체 시스템의 성능을 예측할 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 엔진 마운트의 응답을 예측하고 감소시키기 위해 Hybrid 모델의 부분구조합성법이 적용되었다. 엔진 마운트의 경우 그 응답이 차체로 유입되는 가진력이 되므로 차량 전체의 NVH성능 개선을 위해선 엔진 마운트의 응답 레벨을 줄이는 것이 필요하다. 유한요소해석이 적용되는 알터네이터 브라켓의 구조변경에 따라 엔진 마운트 응답이 어떻게 달라지는지 예측하고 이러한 경향성을 통해 엔진 마운트 응답을 줄이는 방안을 제시한다. 더 나아가 Hybrid 모델링 기법을 통해 많은 데이터를 빠르게 얻을 수 있다는 장점을 활용하여, Bayesian optimization 기법을 적용 하였고 이를 통해 알터네이터 브라켓의 최적화된 구조강성을 도출하였다.