多層次模糊評(píng)價(jià)理論在平順性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

高 潔，張 軍

（1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通技師學(xué)院，遼寧 大連 116013；3.北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 100044）

1 引言

汽車平順性評(píng)價(jià)方法中，主觀評(píng)價(jià)法［1-2］是通過對(duì)專門人員主觀反應(yīng)的統(tǒng)計(jì)完成的評(píng)價(jià)，這種方法對(duì)評(píng)價(jià)者依賴性強(qiáng)，人為因素的制約會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果偏差較大，且試驗(yàn)成本較高；客觀評(píng)價(jià)法［3，4］是通過對(duì)車輛振動(dòng)各物理量的收集，如振幅、頻率、加速度等，經(jīng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算完成的評(píng)價(jià)，這種方法相對(duì)可靠，但容易忽視駕乘人員的感受，造成評(píng)價(jià)內(nèi)容不全面、評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，以往的平順性評(píng)價(jià)大多是在單一路況下完成的［5-6］，試驗(yàn)路況并不能完整的模擬車輛真實(shí)的駕乘情況，評(píng)價(jià)結(jié)果也不能很好的體現(xiàn)車輛在復(fù)雜行駛環(huán)境下的平順性能。因此，探究科學(xué)的平順性研究方法，建立合理的綜合評(píng)價(jià)體系是平順性評(píng)價(jià)研究的關(guān)鍵。

模糊綜合評(píng)價(jià)法［7-8］是依據(jù)隸屬度理論，把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。多層次評(píng)價(jià)法［9-10］則是根據(jù)問題的性質(zhì)以及目標(biāo)，將問題中所包含的因素劃分為不同層次，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，確定問題的相對(duì)重要權(quán)值，最終轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，供決策者進(jìn)行評(píng)價(jià)和選擇。汽車平順性綜合評(píng)價(jià)體系就是基于多層次模糊評(píng)價(jià)理論，依據(jù)研究車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)層次清晰、數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單、系統(tǒng)性較強(qiáng)的評(píng)價(jià)模型，用以解決復(fù)合工況下的平順性評(píng)價(jià)問題，具有評(píng)價(jià)信息全、信度高的特點(diǎn)，是平順性研究的重要依據(jù)。

本課題首先建立汽車平順性綜合評(píng)價(jià)體系，再采用仿真試驗(yàn)研究方法，建立整車平順性仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬試驗(yàn)車輛以不同速度通過不同路況的振動(dòng)情況，最后通過計(jì)算分析，得出車輛平順性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 平順性多層次模糊綜合評(píng)價(jià)體系

基于多層次模糊綜合評(píng)價(jià)理論，建立平順性綜合評(píng)價(jià)體系，計(jì)算得到車輛平順性綜合評(píng)價(jià)值，主要過程如下：

2.1 建立模糊評(píng)價(jià)集

隨機(jī)路面工況下，運(yùn)用五等分法，將人的主觀感覺評(píng)價(jià)用（0～1）之間的數(shù)值量化表示，并對(duì)應(yīng)振動(dòng)總加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺評(píng)價(jià)關(guān)系［4］，如表1所示。

表1 總加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺之間的關(guān)系Tab.1 The Relationship Between the RMS Value of Syn?thetic Weighted Acceleration and Subjective Perception

隨機(jī)路面工況下，平順性主客觀評(píng)價(jià)的各階擬合關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 平順性主客觀評(píng)價(jià)的各階擬合數(shù)據(jù)結(jié)果（隨機(jī)路面工況）Fig.1 The Results of Data Fitting at all Levels of Subjective and Objective Evaluation of Smoothness（Random Road Conditions）

在保證擬合精度要求的基礎(chǔ)上，為精簡(jiǎn)計(jì)算過程，選擇四次曲線擬合結(jié)果，得到平順性能計(jì)算的數(shù)學(xué)模型：

式中：av—車輛振動(dòng)總加權(quán)加速度均方根值，單位m/s2。

脈沖路面工況下，同樣運(yùn)用五等分法，對(duì)應(yīng)振動(dòng)計(jì)量值VDV與人的主觀感覺之間的關(guān)系［11］，如表2所示。

表2 振動(dòng)計(jì)量值VDV與人的主觀感覺之間的關(guān)系Tab.2 The Relationship Between the Vibration Value VDV and Subjective Perception

脈沖路面工況下，平順性主客觀評(píng)價(jià)的各階擬合關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 平順性主客觀評(píng)價(jià)的各階擬合數(shù)據(jù)結(jié)果（脈沖路面工況）Fig.2 The Results of Data Fitting at All Levels of Subjective and Objective Evaluation of Smoothness（Pulse Road Condition）

選擇三次曲線擬合結(jié)果，得到平順性能計(jì)算的數(shù)學(xué)模型：

式中：aVDV—車輛振動(dòng)總加權(quán)計(jì)量值，單位m/s2。

2.2 建立模糊關(guān)系矩陣R

試驗(yàn)車輛在n個(gè)不同試驗(yàn)路況和車內(nèi)m個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)位置的平順性能值，構(gòu)成一個(gè)n×m的關(guān)系矩陣R：

式中：rij—車輛第j個(gè)測(cè)試點(diǎn)在第i個(gè)試驗(yàn)路況時(shí)的平順性能值。

2.3 確定各層次因素集和權(quán)重集

平順性綜合評(píng)價(jià)的因素集包括測(cè)試點(diǎn)位置和試驗(yàn)路況。

測(cè)試點(diǎn)位置因素集和權(quán)重集：

試驗(yàn)路況因素集和權(quán)重集：

2.4 建立分層次模糊關(guān)系綜合評(píng)價(jià)

一級(jí)模糊評(píng)價(jià)：考慮不同測(cè)試點(diǎn)位置：B1=APR

二級(jí)模糊評(píng)價(jià)：考慮不同試驗(yàn)工況：B2=AT

2.5 得到平順性綜合評(píng)價(jià)值Ez并作出評(píng)價(jià)分析

依據(jù)國(guó)標(biāo)平順性評(píng)價(jià)方法，建立平順性綜合評(píng)價(jià)值Ez與人的主觀感受之間的關(guān)系以及對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)，如表3所示。

表3 平順性綜合評(píng)價(jià)值Ez與人的主觀感受之間的關(guān)系、評(píng)價(jià)等級(jí)Tab.3 The Relationship Between Comprehensive Evalua?tion Ez and Subjective Perception、Estimation Scale

平順性綜合評(píng)價(jià)值Ez為多級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果，在本課題中EZ=B2，需依據(jù)計(jì)算值，對(duì)應(yīng)上表完成最后的評(píng)價(jià)分析。

3 平順性綜合評(píng)價(jià)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 整車仿真模型

本課題以某型國(guó)產(chǎn)SUV車作為仿真試驗(yàn)對(duì)象，并聯(lián)合Hyper‐mesh、ANAS、Presys/VPG仿真技術(shù)，參照實(shí)車參數(shù)，建立的整車仿真模型，如圖3所示。

圖3 整車仿真模型Fig.3 Vehicle Simulation Model

整車裝配后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本課題所建整車非線性仿真模型共有538135 個(gè)節(jié)點(diǎn)，540720 個(gè)單元模塊，其中梁?jiǎn)卧?2 個(gè)、殼單元527149個(gè)、實(shí)體單元13308個(gè)，質(zhì)量單元231個(gè)。經(jīng)測(cè)算，所建模型的總質(zhì)量為1620.3kg，前軸載荷46%，后軸載荷54%，該數(shù)據(jù)與實(shí)車參數(shù)相匹配，符合仿真試驗(yàn)條件。

3.2 復(fù)合路面仿真模型

為了模擬車輛真實(shí)的駕乘情況，進(jìn)行仿真試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)車輛以不同車速通過不同路面，具體試驗(yàn)工況，如表4所示。

表4 試驗(yàn)工況Tab.4 Test Condition

首先，分別創(chuàng)建隨機(jī)平直路面、隨機(jī)彎曲路面、脈沖路面，接著，在Presys中調(diào)整三個(gè)路面的位置，將相鄰的重疊節(jié)點(diǎn)捏合，使三個(gè)路面共享邊界節(jié)點(diǎn)，最后，完成復(fù)合路面仿真模型的建立，如圖4所示。

圖4 復(fù)合路面仿真模型Fig.4 Composite Pavement Simulation Model

3.3 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)建立

經(jīng)整車仿真模型的建立，相關(guān)連接和各部分接觸的定義以及計(jì)算條件的設(shè)定后，最終建立平順性仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Simulation Test System

3.3.2 試驗(yàn)依據(jù)

這里參照GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》［4］進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)車輛以不同車速通過復(fù)合路況，選取駕駛員座椅面、駕駛員座椅靠背和駕駛員腳部地板面三個(gè)測(cè)試點(diǎn)，如表5所示。

表5 試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)布置情況Tab.5 Arrangement of Test Points

通過時(shí)域和頻域下數(shù)據(jù)曲線的對(duì)比和平順性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算，對(duì)試驗(yàn)車輛平順性做出評(píng)價(jià)分析。

4 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析及平順性綜合評(píng)價(jià)

4.1 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

通過仿真試驗(yàn)，獲得時(shí)域下，試驗(yàn)車輛各測(cè)試點(diǎn)各軸向的振動(dòng)加速度，將不同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)車輛在時(shí)域下的振動(dòng)加速度對(duì)比Fig.6 Comparison of Vibration Acceleration of Test Vehicle in Time Domain

從圖6可以看出，以較高速度通過復(fù)合路面時(shí)，各測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)幅值更大，這與實(shí)際駕乘感受一致，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

此外，對(duì)比該車輛相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)［12］，相同工況下，復(fù)合路面的振動(dòng)要比單一路面的振動(dòng)要大，說明在復(fù)合路面的作用下振動(dòng)產(chǎn)生了疊加效果，因此，本課題提出的平順性綜合評(píng)價(jià)比以往在單一路況下的平順性評(píng)價(jià)更有意義。

經(jīng)計(jì)算，得到頻域下，試驗(yàn)車輛各測(cè)試點(diǎn)各軸向的振動(dòng)加速度功率譜密度，將不同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)車輛在頻域下的振動(dòng)加速度功率譜密度對(duì)比Fig.7 Comparison of Vibration Acceleration Spectral Density of Test Vehicle in Frequency Domain

從圖7可以看出，兩組試驗(yàn)中，車輛振動(dòng)加速度功率譜密度峰值對(duì)應(yīng)的頻率在（2～3）Hz，避開了人體各軸向振動(dòng)敏感頻率范圍、側(cè)傾敏感頻率范圍以及車身固有頻率［13-14］，確保了駕乘人員良好的舒適性以及車輛結(jié)構(gòu)的安全性，但比較接近“人-椅”系統(tǒng)固有頻率［13］，說明車輛長(zhǎng)時(shí)間在復(fù)合路面行駛時(shí)，會(huì)影響“人-椅”系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而造成駕乘感降低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所建仿真系統(tǒng)的可靠性。

依據(jù)國(guó)標(biāo)平順性評(píng)價(jià)方法，得到試驗(yàn)車輛在不同試驗(yàn)下，各測(cè)試點(diǎn)各軸向的加權(quán)加速度均方根值和總加權(quán)加速度均方根值，如表6所示。

表6 各測(cè)試點(diǎn)各軸向的加權(quán)加速度均方根值和總加權(quán)加速度均方根值Tab.6 The RMS of the Weighted Acceleration of Each Axial Direction and the RMS of the Total Weighted Acceleration of the Test Point

數(shù)據(jù)表明，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)Z軸（垂直）的加權(quán)加速度均方根值保持最大，說明控制車輛垂直方向的振動(dòng)是獲取良好平順性的關(guān)鍵。同時(shí)，也證明車速是影響平順性能的直接因素。

4.2 平順性綜合評(píng)價(jià)

4.2.1 建立模糊關(guān)系矩陣

通過平順性評(píng)價(jià)擬合關(guān)系，計(jì)算得到試驗(yàn)車輛在不同試驗(yàn)方案下，由車輛上3個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)位置在3個(gè)不同試驗(yàn)路況處的平順性能值組成的模糊關(guān)系矩陣。

4.2.2 確定各層次因素集和權(quán)重集

通過調(diào)研并參考相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)［15-17］，建立本次試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)位置和試驗(yàn)路況的因素集，如表7所示。

表7 各層次因素集和權(quán)重集Tab.7 Factor Set and Weight Set at Each Level

4.2.3 建立分層次模糊關(guān)系綜合評(píng)價(jià)

一級(jí)模糊評(píng)價(jià)：考慮不同測(cè)試點(diǎn)位置

4.2.4 依據(jù)平順性綜合評(píng)價(jià)值Ez并作出評(píng)價(jià)分析

將兩個(gè)試驗(yàn)的平順性綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行對(duì)比，如表8所示。表8中的數(shù)據(jù)表明，車輛在復(fù)合路面行駛時(shí)，相同路面條件下，車輛低速行駛時(shí)的平順性綜合評(píng)價(jià)值較高，駕乘人員的舒適度更好。同時(shí)，也能保證車輛在脈沖路況行駛時(shí)的車輛結(jié)構(gòu)安全，以及車輛在隨機(jī)彎曲路面行駛時(shí)的行駛安全。

表8 平順性綜合評(píng)價(jià)值對(duì)比Tab.8 Comparison of Comprehensive Evaluation Values of Ride Comfort

5 結(jié)論

（1）基于多層次模糊評(píng)價(jià)理論，在復(fù)合路面工況下，考慮客觀模糊評(píng)價(jià)集、3個(gè)測(cè)試點(diǎn)位置和3種路況組成的二層次因素集以及權(quán)重集而建立的平順性綜合評(píng)價(jià)體系，能真實(shí)的反映車輛在路面行駛時(shí)全過程的平順性能，是一種值得推廣的平順性綜合評(píng)價(jià)方法。（2）對(duì)照平順性綜合評(píng)價(jià)值Ez與人的主觀感受之間的關(guān)系。試驗(yàn)一中，車輛的平順性綜合評(píng)價(jià)值為0.9339，平順性能等級(jí)為二級(jí)“好”，人體有一些不舒服；試驗(yàn)二中，車輛的平順性綜合評(píng)價(jià)值為0.9918，平順性能等級(jí)為一級(jí)“很好”，人體沒有不舒服。本次試驗(yàn)結(jié)果和評(píng)價(jià)結(jié)果可為后續(xù)平順性研究提供數(shù)據(jù)參考。（3）車輛在復(fù)合路面上，以降低原有車速的50%行駛可使車輛的平順性綜合評(píng)價(jià)值提高6.2%，駕乘舒適度和評(píng)價(jià)等級(jí)均得到提升，這驗(yàn)證了控制車速是獲取良好平順性的關(guān)鍵，也是保證行車安全，保護(hù)車輛結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。