车辆悬架减震优化设计方法仿真.docx

文章编号: 1006 9348( 2014) 11 0142 04车辆悬架减震优化设计方法仿真 蔡 萌，顾 亮( 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)摘要: 车辆在不同路况和不同车速等情况下，悬架系统弹性元件受到的冲击大小差异很大，无法形成固定 的 振 动 规 则，振 动剧烈程度与阻尼系数无法关联。传统车辆悬架减振设计方法，采用固定阻尼系数来减少弹性元件的振动，没有考虑不同路 况及车速产生的振动剧烈程度不同的问题，减振效果较差。提出一种车辆悬架减震优化有限元设计方法，分析车辆悬架减 震器的功能和结构，塑造车辆悬架减震优化模型，采用 ansys 有限元软件中一阶优化方法进行车辆悬架减振优化设计，以 悬架减震器阻尼力为优化目标，以减震器阻尼系数为优化设计变量，以静强度和最大减震强度为约束条件，对车辆悬架减震 进行有限元优化设计，确保车辆车身振动迅速衰弱，使车身能够很快达到一种稳定状态。实验结果表明，上述方法使车辆减 震阻尼力和最大减震强度都优于传统方法，具有较高的稳定性和控制精度。关键词: 车辆悬架; 减震; 优化; 有限元; 设计中图分类号: tp311文献标识码: bsimulation of vehicle suspension dampingoptimization design methodcai meng，gu liang( beijing university of technology institute of mechanical and vehicle，beijing 100081，china)abstact: a finite element design method is presented for vehicle suspension damping optimization based on a-nalysis of the function and structure of vehicle suspension shock absorber，a finite element model of vehicle suspen- sion damping optimization is established，and an optimization design for vehicle suspension damping is proposed by u- sing ansys first order optimization method it takes the damping force of suspension shock absorber as the optimi- zation goal，takes the shock absorber damping coefficient as the design variables，and takes the static strength and the maximum shock strength as constraint conditions then the finite element optimization is designed for vehicle suspen- sion shock absorption it can ensure to debilitate the vehicle body vibration rapidly，and to make the vehicle achieve a stable state quickly experimental results show that the proposed method is better than the traditional method，and has high stability and control accuracykeywods: vehicle suspension; shock absorption; optimization; finite element; design1引言车辆悬架中减震器通常指液力减震器，其是车辆悬架结 构中最精密和复 杂 的 机 械 件。车辆通过悬架结构中的减振 器吸收振荡，确保汽车车身振动迅速衰弱，使车身能够很快 达到一种稳定状态。车辆悬架减震控制系统的研究，对工程 实际应用具有较高的意义1 3。车辆悬架系统是增强车辆平顺性和安全性、降低动载荷 导致的零部件损坏的关键3，4。基于传统隔振原理的循环图 悬架不能同时兼顾三方面的要求。车辆在车祸、地震等突发 情况下，悬架系统的机械能转换会出现滞后问题，导 致 悬 架阻尼系数无法随着车辆的运动状态而发生相应的变化，传统车辆悬架减震分 析 方 法5 8，在 车 辆 在 不 同 路 况，不 同 车 速 等情况下，悬架系统弹性元件受到的冲击大小差异很大，无 法形成固定的 振 动 规 则，振动剧烈程度与阻尼系数无法关 联。传统车辆悬架减振设计方法，采用固定阻尼系数来减少 弹性元件的振动，没有考虑不同路况及车速产生的振动剧烈 程度不同的问题，减振效果较差。通过充分考虑了不同路况及车速产生的振动剧烈程度 不同的问题，采用有限元分析和参数化两个原理，提 出 了 一 种车辆悬架减震优化有限元方法，分析车辆悬架减震器的功 能和结构，塑造车辆悬架减震优化 有 限 元 模 型，采 用 ansys 一阶优化方法进行车辆悬架减振优化设计，以悬架减震器阻收稿日期: 2013 12 17 修回日期: 2014 02 14 142 尼力为优化目标，以减震器阻尼系数为优化设计变量，以 静强度和最大减震强度为约束条件，对车辆悬架减震进行有限 元优化设计，确保车辆车身振动迅速衰弱，使车身能够很快 达到一种稳定状态。实验结果说明，该种方法下车辆减震阻 尼力和最大减震强度都优于传统方法，具有较高的稳定性和 控制精度。置一些参量，至少要将全部的设计变量、状态变量定义成参 量。并且用于优化的参量只能是标量数值参量。3 2优化方案的选取ansys 具有零阶方法和一阶方法两种优化方法，ansys程序提供一系列的分析 评估 修正的循环过程。可对初始设计进行分析，依据设计要求对分析结果进行评估，再 进 行 修正设计。该过程需要 循 环 进 行，直至全部的设计要求都满 足为止。通过随机搜索 法、等步长搜索法等外部优化的程序 代替 ansys 优化过程。相对于零阶优化方法，一阶优化方法 虽然耗费较多时间，但是具有较高的精度，因此通常采用一 阶优化方法完成相关的优化设计。3 3 目标函数的设定目标函数是设计追求指标的数学反映，用于评估设计的 优劣，目标函数必须是设计变量的可运算范数。在 ansys 优 化设计中，只允许存在一个目标函数，是一种单目标优化过 程，如果存在多个目标，则事先应通过加权等方法，将多目标 变换成单目标优化问题。目标函数值只能是正，为 了 避 免 出 现负值，需要在目标函数上加一个足够大的正值。车辆悬架减振控制方案，通过输入少量控制能量调节减 振器的液力阻尼，改善悬架的振动特性。若以 x1 表示悬挂质 量( 车身) 速度，x2 表示非悬挂质量速度，c 表示阻尼系数，则 车辆悬架减振控制规则的数学约束表达式为:2车辆悬架减震基本原理当前车辆的悬架虽然有不同的结构形式，但是其通常由 弹性元件、减 震器和导向机构部分构成，用 图 1 描 述 如 下。 该三种部分分别具有缓冲、减振和力的传递作用。图 1 车辆悬架结构图c0若 x1 ( x1 x2 ) 0( 4)c =若 x1 ( x1 x2 )0 0在车辆振动中对振动信号进行有效的时域变换处理:利用下述公式能够计算振动喜欢采集目标函数:j a( w) = minw a ( w) ( 1)havghavg路况不平低频传感信号的变化情况。利用下述公式能够计算振动信号敏感性变化率:zh( c )= lim=h( cl) 0 h( cl )h( cl )l3 4状态变量的选择状态变量是控制设计的因变量数值，是设计变量的函 数，在 ansys 中，需要对状态变量 的限制构成限制方程。 ansys 规定状态变量低于 100 个，应选择合理的状态变量数 量，确保足够的限制设 计。上述分析的车辆悬架减振控制规 则，反映出既要作用在弹簧上，正比于车身绝对速度 x1 的振 动产生抑制，并且要使得车辆悬架弹簧变形速度( x1 x2 ) 成 比例的粘性阻尼力起作用，也是“on”和“off”的“开关式”控 制方法。3 5优化有限元设计过程通过语言变量修改车辆悬架减振控制规则的表达方式，则有:havghavgzh( al)= lim=( 2)h( al) 0 h( al )h( al )根据路况不平低频传感信号的相关性，能够获取上述传感信号与阻尼系数的关系，其公式如下所述:lnumh = havg + ( aal ) z( al)( 3)l = 1通过减振器能够吸收振荡，确 保 汽 车车身振动迅速衰 弱，振动幅度迅速降低，使车身能够很快达到一种稳定状态。 为了更高的实现车辆的行驶平稳性，需要将阻尼系数不固定 在某一数值上，要求阻尼系数能够随着车辆运行的状态而变 化，确保悬架性能处于最佳的状态附近。x1 ( x1 x2 )x1 ( x1 x2 ) 0 增强阻尼 0 减弱阻尼= 0 标定阻尼3车辆悬架减震的有限元优化方法( 5)3 1构建有限元优化设计模型塑造有限元优化设计模型，是进行有限元结构优化的前x1 ( x1 x2 )和提和基础，构建模型的 基 本 原 则 是: 准确设置分析的关键特 征，降低模型的复杂度，确保优化结果具有较高的运算精度， 降低运算工作量，节约优化运算时间。优 化 设 计 采 用 ansys 软件为设计工具，按照该软件的优化模块需求，将 优 化 设 计 有限元模型，应采用参数形式建模，塑造实体模型过程中，设x 1 ( x1 x2 ) 0 增强阻尼 0 减弱阻尼( 6)x 1 ( x1 x2 )式( 5) 和式( 6) 适于 3 用模糊推理方法表示控制规则，并采用 sm( sliding mode 滑模) 控制模式，其是模型规范化控 143 制，将原系统的二次型动力方程表为一次规范模型 s = x1 +ax1 = 0，其控制规则为:282 744mpa，处于车架同车桥对接处的盖板圆弧国度处，下表面的最大压缩力是 286 32mpa。超常工况和突发工况的车 辆悬架减震阻尼力都低于 290mpa，在允许范围中，因此设计 方法满足车辆减震的要求。优化设计变量的确定也是车辆悬架减震结构的参数化 过程，车辆悬架减震结构是由液力减震器、车架、车桥构成的 复杂三维空间结构，但是全部的悬架都可看成板的组合，因 此设计变量能够通过阻尼系数当成基本参数。为了避免设计 变量过多，本文取车辆悬架减震器静强度和最大振动强度为 约束条件当成优化设计过程中的变化参数。最终设置了 9 个若 sx1 0c0( 7)c =若 sx10 0在规范模型中，包含有待定的常数 a，该控制模式以减低加速度为目标抑制振动。车辆悬架减震器减震器通车架相连，下端同车 桥 相 连， 变幅油缸同车辆悬架间铰接，该两处都是约束 3 个方向的平 动自由度( ux、uy、uz) 和 2 个 方 法的转动自由度 ( oty、 otz) ，车桥中心回转的转动自由度 ( otx) 。车 辆 悬 架 工 作时，减震器同车架以及车桥保持接触，它们间沿接触面的 法向自由度必须耦合，并且切向自由度不能耦合，需 要 过 滤 掉。如果车架同车轴相 对 运 动 时，减震器重的孔壁同油液间 的摩擦会产生对车身振 动 的 阻 尼 力。运 算 模 型 中，阻 尼 力 可 采用如下方式处理: 在 ansys 软件前处理模块中输入 悬 架 减震器采用的材料密度以及重力加速度，程序按照输入的单 元类型、实常数自主将单元阻尼系数信息计入总阻尼力，进 行运算。在车辆悬架减震结构优化设计中，应先明确其目标函 数、状态变量和设计变量，进而塑造优化设计的数学模型，优 化设计的数学模型的表达为: 求设计变量: x = x1 ，x2 ， ，t设计变量，则有 x = x1 ，x2 ，x9 ，各变量的具体含义用表 1 描述:表 1设计变量、初值、上( 下) 限值和优化结果 /mm设计变量初值下限值上限值优化结果减震器内侧弹簧座下位 作动器下 前连接架前 后连接架 内系杆 外系杆 下控臂前侧 下控臂外侧 下控臂后侧1318711108813121071659666786132071510881312109187136669106xn t，满足静强度和最大减震振动强度约束条件: gv ( x) 0，v = 1，2， ，m，hn ( x) = 0，u = 1，2， ，m， ， 是危险点最大减震应力; 是材料许用应力。确 保 目 标 函 数也就是是车辆悬架减震器阻尼力最小化: f( x)优化问题的流程用图 2 描述。 min，求 解基于 1 中描述的设计变量和状态变量，采用上节分析的apdl 的设计优化过程，对车辆悬架减震过程进行优化分析。 优化前车辆悬架减震构架的最大减震力度是 2 86mpa，优化 后的最大减震力度是 5 35mpa，优化前车辆悬架减震器的阻 尼力是 405mpa，优化后的阻尼力增加到 580mpa，说 明 本 文 方法很好的完成了车辆悬架减震的优化。4实验与仿真为了验证本文方法的有效性，需要进行相关的 实 验。实验设置汽车以 v = 20 m /s 的速度驶过 c 级路面，随机路面输入可以用一阶滤波的白噪声来描述，即:( 8)x0 + avx0 = w其中，a 表示路面不平度系数( rad / m) ，v 表示车辆前进宿点，w 表示高斯分布的白噪声。路面不平度系数可由路面不平 度分类标准获取。分析本文方法和传统方法下车辆悬架减 震器阻尼力和最大减震强度情况，分别用图 3 和图 4 描述。 分析图 3 和图 4 可得，通过本文方法下车辆阻尼力和最 大减震强度都高于 传 统 方 法，并且具有较高的平稳性，具 有 较高的优越性，确保了车辆运行的安全性。采 用 ansys 软 件中的一阶方法进行迭代优化运算，通过 10 次迭代，消耗时 间 75min，第 7 次迭代获取最佳 解。表 2 描述了车辆悬架减 震在传统方法和本文方法优化前后的相关数据对比结果。图 2求解优化问题的流程图将节点最大的 vonmises 减震粒当成状态变量，也就是约束条件。优化后，在超常工况情况下，车辆悬架上表面的最大 减震强度是 260 313mpa，最大减震力点位于靠近悬架减震 器同车杆座立板圆弧处，在 冲 击 工 况 时，上面的最大应力是 144 图 3 不同方法下的车辆悬架阻尼力图 4不同方法下的车辆悬架最大减震强度表 2 优化前后车辆悬架减震结果传统方法本文方法伸力 / mpa缩力 / mpa阻尼力 / mpa 最大减震力度 / mpa伸力 / mpa缩力 / mpa阻尼力 / mpa 最大减震力度 / mpa优化前优化后2683033023383604402 653 183204303805104055802 865 35因而有限元优化方法，可导致结果处于局部最佳解。车辆悬架的伸力和缩力在本文方法下都得到了较高的优化结 果，车 辆 悬架减震阻尼力由优化前的 405mpa，增 加 到580mp，增加了 30 17% ，并且最大减震力度由 2 86mpa 增加 到 5 35mpa，增加了 46 54% 。而传统方法优化前后，车辆悬 架伸力和缩力虽然有所提高，阻尼力和最大减震力度的增加 率分别只有 18 18% 和 16 67% ，远远小于本文提出的有限 元优化方法。统计分析上述实验过程中的 相 关 数 据，结 果 用 表 3 描 述:弱，使车身能够很快达到一种稳定状态。实 验 结 果 说 明，该种方法下车辆减震阻尼力和最大减震强度都优于传统方法，具有较高的稳定性和控制精度。参考文献:1陈一锴，等 基 于 平 顺 性 和 道 路友好性的重型货车悬架优化 j 江苏大学学报( 自然科学版) ，2009，30( 3) : 251 255 胡振娴，顾亮 汽车减震器橡胶连接件静刚度有限元分析j 计算机仿真，2010 6: 309 313王勖成，邵敏 有 限 单 元 法基本原理和数值方 法m 北 京:清