基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的履帶車(chē)輛起伏路面最大行駛速度預(yù)測(cè)

段譽(yù) 謝歡

摘 要：為了對(duì)履帶車(chē)輛在起伏路面行駛時(shí)的最大車(chē)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出了一種結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)建模理論、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和近似模型的計(jì)算方法，結(jié)果表明：隨著路面不平度系數(shù)和車(chē)速的提升，車(chē)輛受到的振動(dòng)響應(yīng)相應(yīng)增加；本文提出的方法可以直接高效地計(jì)算車(chē)輛通過(guò)已知不平度系數(shù)的起伏路面時(shí)的最大行駛速度。

關(guān)鍵詞：履帶車(chē)輛；仿真；近似模型；速度預(yù)測(cè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.175

不同路面種類對(duì)履帶車(chē)輛的越野行駛造成的影響各不相同，其中起伏路面最為常見(jiàn)[1]。預(yù)測(cè)車(chē)輛受路面不平度限制的最大行駛速度，是開(kāi)展機(jī)動(dòng)性評(píng)估的一種重要方法。

本文依托履帶車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，確定限制起伏路面車(chē)速的振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立近似模型對(duì)車(chē)輛在不同等級(jí)路面的最大行駛速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。該模型全面考慮了各等級(jí)路面的影響和不同振動(dòng)響應(yīng)指標(biāo)對(duì)車(chē)速的限制，較好地平衡了計(jì)算精度和耗費(fèi)的資源。

1 履帶車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

為了準(zhǔn)確反映履帶車(chē)輛的通過(guò)各等級(jí)起伏路面的振動(dòng)特性，建立底盤(pán)系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型和隨機(jī)路面數(shù)學(xué)模型，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行大量仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為三種振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1 履帶車(chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

以某型高速履帶車(chē)輛為例，建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，將所有部件假設(shè)為剛體。其中，上裝、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與車(chē)體合并為一個(gè)剛體；行動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為主動(dòng)輪、負(fù)重輪、托帶輪、誘導(dǎo)輪、履帶張緊機(jī)構(gòu)、履帶以及彈性阻尼元件等。各部件之間通過(guò)旋轉(zhuǎn)副、球副等運(yùn)動(dòng)副和接觸力、彈簧阻尼力等進(jìn)行約束，得到完整約束系統(tǒng)，建立如圖1所示的履帶車(chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[2]。

1.2 履帶車(chē)輛起伏路面振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

履帶車(chē)輛在崎嶇道路行駛時(shí)，隨著車(chē)速的升高，車(chē)輛通常會(huì)發(fā)生劇烈的振動(dòng)[3]。因此，履帶車(chē)輛在起伏路面的最大行駛速度可以通過(guò)車(chē)輛或者乘員承受振動(dòng)的極限來(lái)確定。

車(chē)輛行駛產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)可以從乘員舒適性、吸收功率標(biāo)準(zhǔn)和懸掛動(dòng)行程等三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中乘坐舒適性的要求乘員座椅處振動(dòng)加速度加權(quán)總均方根值；吸收功率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的極限垂向加權(quán)加速度均方根值為0.69；

避免“懸掛擊穿”需滿足第一負(fù)重輪動(dòng)行程的均方根值的門(mén)限值為0.12。

1.3 基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的仿真計(jì)算

以路面不平度與車(chē)速為設(shè)計(jì)變量，采用近似模型替代原有復(fù)雜模型可以大量減少仿真次數(shù)，并直觀地描述路面不平度與車(chē)速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)在路面不平度系數(shù)和車(chē)速ν的取值范圍內(nèi)選取20組樣本點(diǎn)，圖2為選取的樣本點(diǎn)分布示意圖。

2 起伏路面最大行駛速度預(yù)測(cè)

2.1 徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型

采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型該模型替代復(fù)雜車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型描述路面不平度與車(chē)速間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

以三種振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)、路面不平度和車(chē)速為設(shè)計(jì)變量，將20組仿真結(jié)果代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型完成訓(xùn)練，得到設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)間的近似模型如圖3所示。

2.2 履帶車(chē)輛最大行駛速度預(yù)測(cè)模型

根據(jù)近似模型求解最大行駛速度的過(guò)程可以簡(jiǎn)化為隱式約束優(yōu)化問(wèn)題：以路面不平度系數(shù)G為變量，以振動(dòng)響應(yīng)量為約束，求解目標(biāo)函數(shù)車(chē)速v的全局最優(yōu)解。因此，履帶車(chē)輛在起伏路面下的最大行駛速度計(jì)算模型可以表示為：

以路面不平度均值處為例，代入近似模型中得到車(chē)速與三種振動(dòng)響應(yīng)量之間的關(guān)系曲線如圖4所示，由式（5）計(jì)算得到最大行駛速度為v=6.23m/s。

3 結(jié)論

利用履帶車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的近似模型，提出了履帶車(chē)輛在起伏路面下最大車(chē)速的預(yù)測(cè)方法，得到了路面不平度系數(shù)與車(chē)速間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以直接高效地計(jì)算已知路面譜路面的最大車(chē)速。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁法乾.履帶式裝甲車(chē)輛懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：67-77.

[2]孟磊，李曉雷，邱實(shí)等.履帶對(duì)履帶車(chē)輛車(chē)體振動(dòng)影響的分析[J].車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2015（04）：1-5.

[3]王欽龍，王紅巖，芮強(qiáng).基于多目標(biāo)遺傳算法的高速履帶車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)修正研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2016，37（06）：969-978.

作者簡(jiǎn)介：段譽(yù)（1994-），男，湖北黃岡人，碩士研究生在讀，主要研究方向：裝甲車(chē)輛仿真。