基于多軟件聯(lián)合仿真的載貨汽車平順性提升方法研究

陳浩東， 劉夫云， 鄧聚才

(1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司 商用車技術(shù)中心，柳州 545005)

近年來，隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外很多學(xué)者對載貨汽車平順性能的研究采用ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真的方法進(jìn)行了探討，并取得了一定的成果，但不足之處在于未充分發(fā)揮對整車剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)方面進(jìn)行建模，而且，大多數(shù)都以簡化的物理模型搭建數(shù)學(xué)模型作為理論研究方法，例如，搭建7自由度、14自由度等數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，由于模型部件簡化、參數(shù)不足、自由度較少，必然引起很大的計算誤差，很難保證優(yōu)化所得的結(jié)果滿足于實車[1-3].另外，很多學(xué)者采用實驗設(shè)計DOE(Design of Experiments)的方法，將整車參數(shù)(如襯套、輪胎、前中后車橋，質(zhì)量、剛度、阻尼等)集成到Isight中，采用對整車參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，以此篩選出對整車平順性影響較大的參數(shù)[4]，并將篩選后的參數(shù)運(yùn)用Isight與ADAMS/Car集成的方法進(jìn)行仿真優(yōu)化，最后將優(yōu)化后的參數(shù)代入整車模型進(jìn)行重新計算仿真，以此提升汽車平順性.然而，整個篩選過程將耗費(fèi)大量的時間，計算效率低.由于ADAMS具有動力學(xué)計算方面的優(yōu)勢、Simulink具有易搭建數(shù)學(xué)模塊和易控制參數(shù)的優(yōu)勢、Isight具有易集成優(yōu)化軟件和自帶有很多類型算法的優(yōu)勢.因此，提出運(yùn)用ADAMS建立符合實際車輛模型、更多自由度(駕駛室總成72自由度)的基礎(chǔ)上，將三者優(yōu)勢結(jié)合在一起，借鑒國內(nèi)外學(xué)者采用ADAMS/Car和Simulink聯(lián)合仿真的方法，實現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的一體化仿真反饋，并在MATLAB中開發(fā)優(yōu)化目標(biāo)程序，使用Isight自帶多島遺傳算法集成Simulink整車動力學(xué)模型，對每次的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行計算，從而提升汽車平順性能.

1 載貨汽車虛擬樣機(jī)模型的建立

1.1 建立載貨汽車模型

動態(tài)運(yùn)動中的載貨汽車是復(fù)雜的多自由度(1 368自由度)的剛?cè)狁詈蠙C(jī)械系統(tǒng).首先，按照ADAMS/Car建模思路,將該載貨汽車劃分為駕駛室總成、柔性車架、動力與傳動系統(tǒng)、輪胎以及掛車等各子系統(tǒng)模型.然后，結(jié)合企業(yè)提供的數(shù)據(jù)以及借助相關(guān)試驗設(shè)備,獲得整車所需的各零部件的基本參數(shù)，利用ADAMS/Car建立相對應(yīng)的模板文件、子系統(tǒng)模型.最后，在該軟件中，按照模板、子系統(tǒng)、組成整車裝配體，完成載貨汽車整車模型[5-6].

由于駕駛室是駕駛員操作車輛和搭載乘客的載體，其懸置系統(tǒng)是用來支撐駕駛室和鏈接車架主體的裝置，也是影響載貨汽車行駛平順性最為直接、最為明顯的系統(tǒng)[7]，其主要參數(shù)如表1所示.

表1 駕駛室總成主要參數(shù)

其中，前懸置結(jié)構(gòu)主要包括有穩(wěn)定桿、螺旋彈簧、液壓減振器等部件；穩(wěn)定桿用于保持駕駛室的側(cè)傾運(yùn)動平穩(wěn)，避免駕駛室產(chǎn)生較大的側(cè)傾角；螺旋彈簧起到隔振的作用，衰減振動信號的傳遞；減振器起到阻尼作用；后懸置是由彈簧、液壓減振器以及拉桿等部件組成；其中，減振器起到導(dǎo)向與減振的作用，可根據(jù)不同的路況條件調(diào)節(jié)其阻尼.載貨汽車駕駛室前后懸置模型如圖1和圖2所示.

圖1 駕駛室前懸置模型

圖2 駕駛室后懸置模型

1.2 隨機(jī)工況的建模與仿真

通常，隨機(jī)路面具有一定的隨機(jī)性、平穩(wěn)性以及各態(tài)經(jīng)歷等特性，其路面的不平度采用隨機(jī)高程來描述.根據(jù)GB7031與“路面不平度表示方法草案”標(biāo)準(zhǔn)中按照諧波疊加法建立隨機(jī)路面，利用MATLAB編寫路面程序，計算在一定條件下的路面隨機(jī)高程位移，建立隨機(jī)路面模型的生成器，經(jīng)過隨機(jī)路面模型的生成器建立ADAMS軟件能夠直接讀取的路面文件[8].將載貨汽車行駛在隨機(jī)路面下進(jìn)行仿真，如圖3所示.

圖3 隨機(jī)路面工況下仿真

2 ADAMS/Car與Simulink聯(lián)合仿真模型的建立

2.1 對載貨汽車虛擬樣機(jī)進(jìn)行參數(shù)分析

為了便于修改駕駛室前后懸置的剛度和阻尼參數(shù)，搭建ADAMS/Car和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真模型就是一種非常有效的方法.關(guān)鍵就是要實現(xiàn)ADAMS/Car軟件中的Controls模塊和MATLAB/Simulink接口進(jìn)行狀態(tài)變量參數(shù)輸入與輸出.因此，就需要對ADAMS/Car建立好的載貨汽車虛擬仿真樣機(jī)進(jìn)行參數(shù)分析，其參數(shù)主要分為兩類:輸入變量參數(shù)和輸出變量參數(shù).經(jīng)過分析，需設(shè)置輸入與輸出狀態(tài)變量，其中，8個輸入狀態(tài)變量，20個輸出狀態(tài)變量.輸入狀態(tài)變量有：駕駛室前后懸置減振器阻尼力和彈簧力.輸出狀態(tài)變量有：駕駛室座椅各項加速度、前后懸置中的減振器、彈簧的相對位移等.

2.2 構(gòu)建MATLAB/Simulink控制系統(tǒng)

為了建立ADAMS/Car與Simulink的聯(lián)合仿真模型，使控制模型與車輛模型聯(lián)合的工作得到極大簡化，首先，運(yùn)用ADAMS/Car對整車模型進(jìn)行仿真，生成聯(lián)合仿真模型所需的“.m”文件；然后，運(yùn)行此文件，在MATLAB命令欄中輸入“ADAMS_sys”命令,生成“ADAMS_Sub”模塊；最后，在Sinmulink中構(gòu)建載貨汽車整車控制模型，“driver_seat_acc_x”、“driver_seat_acc_y”、“driver_seat_acc_z”分別代指駕駛室座椅處X、Y、Z三個方向的加速度，如圖4所示.通過對比載貨汽車在ADAMS/Car穩(wěn)態(tài)后的仿真結(jié)果與聯(lián)合仿真后的Sinmulink穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果得知，結(jié)果幾乎吻合，可以用于下一步的研究.

圖4 載貨汽車聯(lián)合仿真Sinmulink模型

3 載貨汽車平順性的優(yōu)化設(shè)計

3.1 基于Isight集成ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真模型的研究思路

由于駕駛員操作載貨汽車多用來運(yùn)輸貨物，使其絕大多數(shù)時間行駛在水泥、瀝青等隨機(jī)路面上，這就需要著重提升在此路面下的平順性能.因此，讓其以60 km/h車速行駛在隨機(jī)C級路面下為例，對行駛平順性能進(jìn)行研究.

以前面已經(jīng)搭建好的ADAMS/Car與Simulink載貨汽車聯(lián)合仿真模型為基礎(chǔ)，在MATLAB里編寫程序來獲得座椅處各軸向振動加速度RMS與綜合加速度RMS值.利用Isight中的Optimization優(yōu)化模塊，將此程序?qū)隝sight軟件中，采用多島遺傳算法優(yōu)化該整車聯(lián)合仿真模型，如圖5所示，并計算每次的優(yōu)化結(jié)果，找到影響平順性因素的減振器阻尼參數(shù)和彈簧剛度參數(shù)的最佳匹配[9].

圖5 Isight集成Simulink模型

3.2 優(yōu)化變量的選取

根據(jù)汽車懸架系統(tǒng)的作用機(jī)理得知，針對載貨汽車平順性的提升，通過調(diào)整載貨汽車駕駛室懸置系統(tǒng)中的減振器阻尼及彈簧剛度參數(shù)最為直接有效[10].由于在載貨汽車動力學(xué)建模時，參照企業(yè)實車及實驗數(shù)據(jù)，駕駛室懸置元件采用左右對稱布置、前后懸置的左右兩邊懸置結(jié)構(gòu)剛度阻尼參數(shù)相同，因此，文中選取此4個變量作為設(shè)計優(yōu)化變量，即式(1)所示.

X=[kf,kr,cf,cr]，

(1)

式中：kf、kr為駕駛室前后懸置彈簧剛度系數(shù)；cf、cr為駕駛室前后懸置減振器阻尼系數(shù).

在保證模型計算精度情況下，設(shè)計變量的取值應(yīng)合理，否則會降低優(yōu)化模型計算精度，嚴(yán)重時會導(dǎo)致車輛仿真失敗.在滿足車輛的仿真精度和仿真可行性前提下，將駕駛室前后懸置中的減振器阻尼參數(shù)系數(shù)和彈簧剛度參數(shù)系數(shù)的取值范圍設(shè)定為上下浮動25%，為了便于優(yōu)化過程中數(shù)據(jù)計算和處理，將以上4個優(yōu)化變量設(shè)定為初始值為1的比例系數(shù)，取值范圍均為0.75～1.25.

3.3 目標(biāo)函數(shù)的確定

優(yōu)化的目的是通過調(diào)整駕駛室前后懸置系統(tǒng)剛度、阻尼參數(shù)，以有效改善整車的行駛平順性.以駕駛室座椅處的RMS來評價整車平順性的優(yōu)劣情況，選取對整車平順性影響較大的前后懸置系統(tǒng)的性能剛度、阻尼參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并以60 km/h的車速行駛在同樣隨機(jī)路面條件下，對比優(yōu)化前后的駕駛室座椅處的加速度RMS值的大小作為評價標(biāo)準(zhǔn)，即以加速度RMS_W(綜合加權(quán)加速度均方根值)最小值作為優(yōu)化目標(biāo)[5]，即式(2)所示.

min={RMS_W}.

(2)

3.4 約束條件的選取

根據(jù)載貨汽車模型中駕駛室前后懸置左右對稱性，提出將剛度、阻尼分別乘以一個比例因子來調(diào)整其大小.同時，懸置的動撓度會影響汽車安全性和增加撞擊限位的幾率，進(jìn)而影響汽車平順性能和舒適性能.使車輛以60 km/h行駛在C級路面時，其前后懸置中的動行程不能超過上下限位塊位置，否則會導(dǎo)致車輛損壞[11].故，文中將駕駛室前懸置動撓度設(shè)計為小于等于30 mm，后懸置動撓度小于等于41 mm.其數(shù)學(xué)模型可表述為式(3)所示.

(3)

3.5 優(yōu)化結(jié)果

利用Isight/Optimization中的多島遺傳算法，經(jīng)過240次迭代，得到第236組優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)解，即優(yōu)化后減振器阻尼、彈簧剛度最優(yōu)比例系數(shù)和綜合加速度RMS_W最小值，如表2所示.

表2 Isight主要優(yōu)化解

以載貨汽車車速60 km/h行駛在C級路面為例，對比駕駛室座椅導(dǎo)軌處X向、Y向、Z向的加速度功率譜密度的仿真前后優(yōu)化結(jié)果，對比結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示.

圖6 X向加速度功率譜密度曲線對比

圖7 Y向加速度功率譜密度曲線對比

圖8 Z向加速度功率譜密度曲線對比

由圖6、7、8功率譜密度峰值對比計算得知，優(yōu)化后的X向最大頻率降低了27.66%，Y向最大值降低了20.00%，Z向最大降低了20.18%.結(jié)果表明，采用提出的優(yōu)化方法對平順性能的提升起到了良好的效果，也間接的驗證了搭建載貨汽車聯(lián)合仿真控制模型的準(zhǔn)確性.

為了近一步的對比載貨汽車在其他工況下的平順性能，將載貨汽車模型分別以50～90 km/h的速度在隨機(jī)路面工況下進(jìn)行平順性仿真，得到加速度RMS，如表3所示.

表3 座椅處RMS仿真前后對比 m/s2

通過對比表4可知，優(yōu)化后的載貨汽車駕駛室座椅3個方向RMS振動響應(yīng)均降低，X向、Y向、Z向和綜合加速度RMS最大降幅分別為12.84%、4.28%、13.08%和11.46%.由此表明，通過Isight平臺中的多島遺傳算法優(yōu)化ADAMS/Car與Simulink聯(lián)合仿真后的整車模型，得到駕駛室懸置系統(tǒng)中的剛度、阻尼參數(shù)的最優(yōu)匹配，表明了載貨汽車的平順性得到了一定的提升，進(jìn)一步驗證所提出新優(yōu)化方法的可行性.

4 結(jié) 論

以某型號載貨汽車為研究對象，采用了基于Isight集成搭建的整車聯(lián)合仿真模型及優(yōu)化方法，對該車平順性能起到了一定程度的提升.之后，將進(jìn)一步以Simulink搭建好的載貨汽車聯(lián)合仿真模型作為基礎(chǔ)，運(yùn)用Isight中的其他算法，如粒子群算法，完善設(shè)計變量、更改約束條件、將各向線振動、俯仰振動、側(cè)傾振動和綜合加速度RMS作為優(yōu)化目標(biāo)，繼續(xù)編寫相應(yīng)MATLAB程序，以便更好的解決該型號載貨汽車行駛在其他路面下的平順性問題.