基于近似模型的车辆操纵稳定性及平顺性的优化研究.pdf

设计 计算 研究 基于近似模型的车辆操纵稳定性 及平顺性的优化研究 杨荣山1 袁仲荣2 黄向东1 2 赵克刚t陈金华1 2 1 华南理工大学 2 广州汽车集团股份有限公司 摘要 简述了基于近似模型的车辆操纵稳定性及平顺性的优化设计方法 利用多体动力学软件A D A M S C a r 建立了某轿车整车多体动力学模型 并确定了车辆操纵稳定性及平顺性的评价目标 以悬架弹簧刚度 减振器阻尼 特性和横向稳定杆刚度为设计变量 利用近似优化数学模型对该轿车进行了操纵稳定性和行驶平顺性的多目标优 化计算 结果表明 近似模型技术对于汽车性能的平衡优化是一种十分有效的方法 主题词 操纵稳定性平顺性近似模型优化 中图分类号 U 4 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 0 9 0 7 0 0 1 8 0 5 O p t i m i z a t i o na n dR e s e a r c ho nV e h i c l e SH a n d l i n gS t a b i l i t y a n dR i d eC o m f o r tB a s e do nA p p r o x i m a t eM o d e l Y a n gR o n g s h a n l Y u a nZ h o n g r o n 9 2 H u a n gX i a n g d o n 9 1 a Z h a oK e g a n 9 1 C h e nJ i n h u a l 1 H u a n a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 2 G u a n g z h o uA u t o m o t i v eG r o u pC o L t d A b s t r a c t T h eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o do fv e h i c l e Sh a n d l i n gs t a b i l i t ya n dr i d ec o m f o r tw a si n t r o d u c e db a s e do n a p p r o x i m a t em o d e li n t h i sp a p e r Ac a rm u l t i b o d yd y n a m i c sm o d e lW K 8e s t a b l i s h e db yu s i n gs o f t w a r eA D A M S C a r t h e e v a l u a t i n go b j e c t so fv e h i c l e Sh a n d l i n gs t a b i l i t ya n dr i d ec o m f o r tw e r ea l s od e t e r m i n e d T h es u s p e n s i o ns p r i n gr i g i d i t y s h o c ka b s o r b e md a m p i n gc h a r a c t e r i s t i ca n da n t i r o l ls t a b i l i z e rr i g i d i t yw e r e u s e da 8d e s i g nv a r i a b l e a n db a s e do nt h e a p p r o x i m a t eo p t i m i z e dm a t h e m a t i cm o d e l t h em u l t i o b j e c to p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o no fh a n d l i n gs t a b i l i t ya n dr i d ec o m f o r t w e r ec a r d e do u t I tW a Si n d i c a t e dt h a tt h ea p p r o x i m a t em o d e lt e c h n o l o g yw a sa ne f f e c t i v em e t h o df o ro p t i m i z i n gv e h i c l e s p e r f o r m a n c e K e yw o r d s H a n d i n gs t a b i l i t y 硒d ec o m f o r t A p p r o x i m a t em o d e l O p t i m i z a t i o n 1 前言 操纵稳定性和行驶平顺性是汽车非常重要的性 能指标 而悬架系统对这两种性能的优劣有着决定 性影响 因此 如何设置悬架系统的弹性元件 弹簧 减振器等 的特性 以保证汽车同时具有良好的操纵 高等学校博士学科点专项科研基金资助课题 2 0 0 7 0 5 6 1 0 2 0 行适当改动 设计了以电磁阀和摆动气缸作为驱动 机构的电控气动式可调阻尼减振器 b 研制的可调阻尼减振器经台架试验表明 除 后减振器压缩阻力外 减振器的阻尼状态切换准确 稳定 阻尼力试验值与仿真结果十分接近 平均偏差 小于7 表明减振器的仿真模型精度较高 阻尼力 试验值与设计目标基本一致 平均偏差小于6 表明所设计的可调阻尼减振器性能良好 总体上达 到了设计要求 C 道路试验结果表明 采用所研制的可调阻 尼减振器可显著提高该客车的行驶平顺性 参考文献 1 P o l a c hP H a j z m a nM D e s i g no fC h a r a c t e r i s t i c so fA i r P r c s s u r e C o n t r o l l e dH y d r a u l i cS h o c kA b s o r b e mi na nI n t e r c i t yB u s 8 M u l t i b o d yS y s tD y n 2 0 0 8 1 9 7 3 9 0 2N o z a k iH T e c h n o l o g yf o rM e a s u r i n gt h eD a m p i n gF o r c eo fS h o e kA b s o r b e r sa n dt h eC o n s t a n to fC o i lS p r i n g sM o u n t e do na M o t o r c y c l eb yt h eU n s p r u n gM a s sV i b r a t i o nM e t h o d S A E P a p e r2 0 0 4 0 1 2 0 6 8 3张建文 庄德军琳逸 等 汽车用空气弹簧悬架系统综述 公 路交通科技 2 0 0 2 1 9 6 1 5 1 1 5 5 4 王望予 汽车设计 北京 机械工业出版社 2 0 0 4 2 0 9 2 1 0 5 左健民 液压与气压传动 北京 机械工业出版社 2 0 0 7 6 余志生 汽车理论 北京 机械工业出版社 2 0 0 0 7 喻凡 林逸 汽车系统动力学 北京 机械丁业出版社 2 0 0 5 8 孙丽琴 分体式充气可调阻尼减振器建模仿真与试验 学 位论文 镇江 江苏大学 2 0 0 7 责任编辑学林 修改稿收到日期为2 0 0 9 年5 月2 5 日 汽车技术 万方数据 设计 计算 研究 稳定性和行驶平顺性一直是汽车底盘开发中的重要 课题 由于汽车操纵稳定性与行驶平顺性是相互矛 盾的 单纯基于某一项性能的优化往往会导致另一 项性能的降低 因此 对于汽车操纵稳定性和行驶平 顺性的多目标优化问题 采用常规的优化算法 如复 合形法 遗传算法 模拟退火算法等 时往往由于优 化迭代次数太多而使优化过程无法进行 另一方面 汽车操纵稳定性和平顺性的优化是一个十分复杂的 问题 目标函数和设计变量之间的关系是未知的 很 难用一个明确的数学表达式来描述 采用基于梯度 的优化算法f 如牛顿法 罚函数法1 往往由于梯度的 求解困难而无法进行 t I 以上分析表明 将操纵稳定 性与行驶平顺性的各指标综合 进行多目标的平衡 和优化才是解决上述问题的一个好方法 2 设计优化方法 i 对于高强度的仿真或分析任务 为加快对设计 方案性能的评估 可用多种近似原理构造近似模型 来代替精细分析和仿真计算 采用近似模型既可大 幅度提高分析任务的效率 又可平滑响应函数 剔除 计算噪声 计算噪声会产生无数局部峰值 从而对优 化过程产生极大干扰 而近似模型通常会自然地抹 平响应函数 在大多数情况下还可以改善优化过程 的收敛性 有助于更快地收敛到全局最优闭 2 1 响应面近似模型 最广泛采用的响应面近似函数是使预测响应i 和一组因子髫相关的低阶多项式 通常使用如下二 阶多项式 函数形式不限于多项式 响应面 多 戈 剐0 a 衙 a 誓2 嘞施 i Ii I F i i 1 2 n i q 1 式中 n 为自变量总数 X i 簟为自变量 ao r v O l 扒 为多项式的待定系数 对2 个自变量的情况 响应面表示如下 多 茗 础 帕l 菇1 帕2 x 2 o t l l x i 2 1 o t 笠戈 0 1 2 茁阮 2 采用式 3 来代替式 2 歹 戈 邛 印m 弗2 菇邡3 算l 邯4 髫产叩5 X l X 2 3 令菇3 X 1 2 轧 髫5 础l 菇2 则式 3 可转换成多元 线性回归模型 即 乡 石 币 弗m 弗2 菇邡3 髫3 书4 戈4 弗淌 4 类似式 4 对于多个设计变量的响应面线性回 归模型则为 乡 菇 卢o 卢l 菇l 卢2 X 2 卢k 机 5 2 0 0 9 年第7 期 P 2 黔动 o A 8 旧a Q 2 i 竹再 铲 有 告熹寄 1 0 式中 I 占I 为近似模型误差 置为预测值 嘶为实际 值 n 为误差估计的采样点个数 2 3 可信度系数 可信度系数的定义如下闱 p 石 些坐掣生 1 1 f x k f 矿 式中 厂 矿 和 厂 1 分别为每个子空间优化开始和 结束时目标函数的实际值 多体动力学软件计算所 得 f x k 看 l l f x k 分别为每个子空间优化开始和结 束时目标函数的预测值 近似模型计算所得 2 4 近似模型应用流程 近似模型应用流程 一般先利用仿真模型进行 试验设计采集数据 然后在所采集的数据中选择响 应面方式拟合近似模型 通过对拟合近似模型进行 误差分析和可信度验证 从而确定近似模型是否可 用 如近似模型可用 则用近似模型代替仿真程序用 于后续的优化计算分析 具体流程如图1 所示 一1 9 万方数据 设计 计算 研究 数据采集 试验设计采集数据 净警模型类型l 响应面模型 裂2 篓别 黼 图l 近似模型方法的流程 3 整车多体动力学模型及评价目标 l 3 1 整车模型的建立 多体动力学已被证明是用于车辆操纵稳定性和 行驶平顺性仿真分析的有效方法 3 4 1 本文利用多体 动力学软件A D A M S C a Y 分别建立前悬架 后悬架 转向系 动力总成和轮胎等子系统模型 质量和转动 惯量参数则从C A T I A 三维数模计算或试验得到 从 而建立了某轿车整车多体动力学模型 图2 该轿 车前悬架为麦弗逊式 后悬架为麦弗逊烛式 前 后 悬架均带横向稳定杆 前 后轮胎型号均为1 9 5 6 0 R 1 5 整车技术条件见表1 所列 图2 整车多体动力学模型 表1 整车技术条件 参数 数值 前轴荷 k g 9 6 6 8 后轴荷 k g 7 5 1 6 轴距 n u n27 2 0 前轮距 m ml5 4 5 后轮距 r a m15 3 5 转向传动比 m m o 一t 4 7 3 6 0 一2 0 一 建模过程中有如下假设 a 对于理想铰链 除转动铰 滑动铰外 皆忽 略内部摩擦及阻尼 b 整车零部件中 除弹簧 橡胶件 扭杆弹簧 轮胎等弹性元件外 其余均按刚体考虑 3 2 评价指标的确定 3 2 1 操纵稳定性评价指标 操纵稳定性有很多种评价方法 一般可分为开 环和闭环两种 5 l 开环评价方法有稳态转向 固定圆 周转向和固定转向盘转角转向 试验和瞬态转向 J 形转弯和鱼钩转弯等 试验 闭环试验考虑驾驶员的 反馈 模拟真实的操纵试验 如I S O3 8 8 8 双移线测 试方法 本次研究中采用典型的9 0k m h 下的双移 线 I S O3 8 8 8 方法来评价汽车的操纵稳定性能 主要指标如下1 6 1 瞬态不足转向增益 T r a n s i e n tU n d e r s t e e rG a i n 它是指在汽车瞬态操纵过程中的转向盘转角变化与 车辆横摆角速度的比值 用 来表示 通常情况 下 它影响正常驾驶时转向盘所需的转动量 还用来 评价转向输入与车辆响应之间延迟的情况 瞬态侧倾增益 T r a n s i e n tR o l lG a i n 它是指在 汽车瞬态操纵过程中的侧倾角的变化量与车辆侧向 速度的比值 用R k 来表示 通常情况下 它影响正 常驾驶时驾驶员感知到车身侧倾角的大小以及对车 身侧倾衰减的评价 侧向加速度一转向盘转角时间延迟 L a t e r a l a c c e l e r a t i o n S t e e r i n gw h e e la n g l et i m eD e l a y 它是 指在汽车瞬态操纵过程中车辆侧向加速度与转向盘 转角之间的时间延迟 用下鲫表示 它通常根据I S O 3 8 8 8 双移线测试方法 由在固定车速9 0k m h 下测 得上述两个信号的时滞互相关函数 图3 来确定 它也影响驾驶员转向输入与车辆响应之间延迟的判 断 图3 互相关函数的时问延迟 侧向加速度一横摆角速度时间延迟 L a t e r a l a c c e l e r a t i o n Y a wr a t et i m eD e l a y 用丁 来表示 它是指在汽车瞬态操纵过程中车辆侧向加速度与横 汽车技术 万方数据 设计 计算 研究 摆角速度之间的时间延迟 它通常也根据I S O3 8 8 8 双移线测试方法 由在固定车速9 0k m h 下测得上 述两个信号的时滞互相关函数来确定 图3 它影 响驾驶员转向输入与车辆响应之间延迟的判断 3 2 2 行驶平顺性评价指标 根据文献f 7 中汽车平顺性的随机输入行驶试 验方法 运用所建立的不平路面 比利时路面 进行 整车的平顺性虚拟仿真分析 按照舒适性评价标准 I S 0 2 6 3 l l 1 9 9 7 E 中规定的方法 取一定车速 6 0 k m h 进行仿真分析 计算前座椅地板的加速度均方 根值 用于评价汽车行驶的平顺性 加速度均方根值定义如下 饵两 1 2 式中 丁为采样时间 为加权加速度值 t 为时间 4 优化计算的实现 4 1 设计变量 以前悬架与后悬架的弹簧刚度 减振器阻尼特 性和横向稳定杆刚度为设计变量 假设弹簧和减振 器左右是对称的 为了便于仿真计算 将弹簧刚度 和减振器特性 图4 分别乘以一个比例系数来改变 其大小 设前 后弹簧刚度比例系数分别为墨和墨 前 后减振器阻尼比例系数分别为c f 和Q 前 后横 向稳定杆刚度分别为乃和瓦 初始值 o 一0 5 倍初始值 盔多 十2 倍初始值 Z 岜 采 己 零 罗酽1 0 51 01 52 一 一2 速度 m 8 l 图4 减振器特性曲线变化不例 4 2 目标函数及约束条件 综合多款竞标车型的目标数据1 6 8 1 对于操纵稳 定性应在保证一定的不足转向增益的条件下尽量减 小侧倾增益与时间延迟 而与行驶平顺性相关的垂 直加速度则要尽量减小 由此确定的目标函数见表 2 所列 联合多学科优化系统平台i S i g h tF D 与多体动 力学软件A D A M S 进行仿真 利用试验设计的结果 数据 一共采集了8 0 个样本点 基于响应面模型得 到该轿车近似模型 并利用i S i g h tF D 中近似模型的 可视化工具对近似模型进行误差分析和可信度验 2 0 0 9 年第7 期 证 得到了精确度较高的近似模型 误差低于0 2 可 信度达到0 9 部分响应面模型如图5 所示 表2目标函数及约束条件 目标函数下限上限 旷1 0 2 80 3 6 R k g 1 7 5 f f E O 1 6 t m s 0 1 1 aR 鹏 g 图5 近似模型的部分响应面模型 5 优化结果 利用上述近似优化数学模型对该轿车进行基于 操纵稳定性和行驶平顺性的多目标优化计算 计算 中采用N S G A I I N o n D o m i n a t e dS o r t i n gG e n e t i cA l g o r i t h m 优化算法 设群体规模为1 0 遗传代数为 2 0 交叉概率为0 9 经过2 0 1 次迭代计算 目标函数 随迭代次数的变化趋势如图6 所示 由图6 中可以 看出 汽车的操纵稳定性和行驶平顺性的各项指标 同时得到了有效提高和较好的平衡 优化后的设计 变量值和目标函数值的对比见表3 所列 将优化后 的设计变量值代人多体动力学模型进行了实际精确 值计算 计算结果与基于多体动力学模型最优点精 一2 l 一 万方数据 设计 计算 研究 确值的对比见表4 所列 从表4 中可以看出近似模 型得到的优化值与多体动力学的精确值是非常接近 的 这也证明了近似模型的可靠性 0柏舳1 2 01 6 0 2 0 0 2 4 0 0柏 1 2 0 1 6 02 0 02 4 0 迭代次数 迭代次数 a b k 一 咖0 1 2 亡I e 图6 目标函数变化历程曲线 表3 设计变量限值及优化前 后对比 设计变量下限初始值上限优化值 墨 0 5l 1 51 4 c f 0 511 5O 6 墨O 511 51 3 C O 5l1 5O 5 5 矸 N m m o 一 3 00 0 03 l9 9 2 05 00 0 04 59 3 7 4 正 N m m o 50 0 07 7 2 1 41 20 o1 0 9 6 5 8 表4 基于近似模型优化后的目标值与基于多体动力学 模型最优点精确值的对比 基于近似模型基于多体模型 初始目标值 优化后的目标值最优点的精确值 o g 1 0 3 4O 3 6 00 3 7 2 R k g 1 5 5 23 2 0 03 1 2 0 7 s0 0 90 0 8 00 0 8 5 f s O 1 2 0 1 0 00 1 0 4 a 啪信 0 3 30 3 0 0O 3 0 7 2 2 6 结束语 本文结合基于响应面近似模型和多体动力学数 值模拟的设计优化方法 对某轿车进行了操纵稳定 性和平顺性的联合优化 结果表明 a 利用A D A M S 软件所建立的整车多体系统动 力学模型与i S i g h tF D 的近似模型技术相结合 通过 控制近似模型的误差 可以得到可信度较高的基于 操纵稳定性和行驶平顺性的近似模型 b 利用基于响应面的近似模型技术 可以快 速 高效地进行整车操纵稳定性和平顺性等性能的 多目标平衡和优化 参考文献 8 C h e n e yEW I n t r o d u c t i o nt oA p p r o x i m a t i o nT h e o r y A M SC h e l s e aP u b l i s h i n g 1 9 8 2 赵祖德 陈学文