基于固定阻尼系數(shù)的車輛懸架減振設(shè)計

基于固定阻尼系數(shù)的車輛懸架減振設(shè)計

1車輛懸架減振優(yōu)化設(shè)計車輛懸掛減震器通常指液體衰減減震器，是車輛懸掛結(jié)構(gòu)中最復雜的機械部件。車輛通過懸架結(jié)構(gòu)中的減振器吸收振蕩,確保汽車車身振動迅速衰弱,使車身能夠很快達到一種穩(wěn)定狀態(tài)。車輛懸架減震控制系統(tǒng)的研究,對工程實際應(yīng)用具有較高的意義車輛懸架系統(tǒng)是增強車輛平順性和安全性、降低動載荷導致的零部件損壞的關(guān)鍵通過充分考慮了不同路況及車速產(chǎn)生的振動劇烈程度不同的問題,采用有限元分析和參數(shù)化兩個原理,提出了一種車輛懸架減震優(yōu)化有限元方法,分析車輛懸架減震器的功能和結(jié)構(gòu),塑造車輛懸架減震優(yōu)化有限元模型,采用ANSYS一階優(yōu)化方法進行車輛懸架減振優(yōu)化設(shè)計,以懸架減震器阻尼力為優(yōu)化目標,以減震器阻尼系數(shù)為優(yōu)化設(shè)計變量,以靜強度和最大減震強度為約束條件,對車輛懸架減震進行有限元優(yōu)化設(shè)計,確保車輛車身振動迅速衰弱,使車身能夠很快達到一種穩(wěn)定狀態(tài)。實驗結(jié)果說明,該種方法下車輛減震阻尼力和最大減震強度都優(yōu)于傳統(tǒng)方法,具有較高的穩(wěn)定性和控制精度。2振動信號的敏感性分析當前車輛的懸架雖然有不同的結(jié)構(gòu)形式,但是其通常由彈性元件、減震器和導向機構(gòu)部分構(gòu)成,用圖1描述如下。該三種部分分別具有緩沖、減振和力的傳遞作用。在車輛振動中對振動信號進行有效的時域變換處理:路況不平低頻傳感信號的變化情況。利用下述公式能夠計算振動信號敏感性變化率:根據(jù)路況不平低頻傳感信號的相關(guān)性,能夠獲取上述傳感信號與阻尼系數(shù)的關(guān)系,其公式如下所述:通過減振器能夠吸收振蕩,確保汽車車身振動迅速衰弱,振動幅度迅速降低,使車身能夠很快達到一種穩(wěn)定狀態(tài)。為了更高的實現(xiàn)車輛的行駛平穩(wěn)性,需要將阻尼系數(shù)不固定在某一數(shù)值上,要求阻尼系數(shù)能夠隨著車輛運行的狀態(tài)而變化,確保懸架性能處于最佳的狀態(tài)附近。3車輛懸臂懸臂減壓的有限優(yōu)化方法3.1基于anasas軟件的優(yōu)化設(shè)計塑造有限元優(yōu)化設(shè)計模型,是進行有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提和基礎(chǔ),構(gòu)建模型的基本原則是:準確設(shè)置分析的關(guān)鍵特征,降低模型的復雜度,確保優(yōu)化結(jié)果具有較高的運算精度,降低運算工作量,節(jié)約優(yōu)化運算時間。優(yōu)化設(shè)計采用ANSYS軟件為設(shè)計工具,按照該軟件的優(yōu)化模塊需求,將優(yōu)化設(shè)計有限元模型,應(yīng)采用參數(shù)形式建模,塑造實體模型過程中,設(shè)置一些參量,至少要將全部的設(shè)計變量、狀態(tài)變量定義成參量。并且用于優(yōu)化的參量只能是標量數(shù)值參量。3.2等步長搜索法ANSYS具有零階方法和一階方法兩種優(yōu)化方法,ANSYS程序提供一系列的分析-評估-修正的循環(huán)過程?？蓪Τ跏荚O(shè)計進行分析,依據(jù)設(shè)計要求對分析結(jié)果進行評估,再進行修正設(shè)計。該過程需要循環(huán)進行,直至全部的設(shè)計要求都滿足為止。通過隨機搜索法、等步長搜索法等外部優(yōu)化的程序代替ANSYS優(yōu)化過程。相對于零階優(yōu)化方法,一階優(yōu)化方法雖然耗費較多時間,但是具有較高的精度,因此通常采用一階優(yōu)化方法完成相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計。3.3多目標優(yōu)化問題的描述目標函數(shù)是設(shè)計追求指標的數(shù)學反映,用于評估設(shè)計的優(yōu)劣,目標函數(shù)必須是設(shè)計變量的可運算范數(shù)。在ANSYS優(yōu)化設(shè)計中,只允許存在一個目標函數(shù),是一種單目標優(yōu)化過程,如果存在多個目標,則事先應(yīng)通過加權(quán)等方法,將多目標變換成單目標優(yōu)化問題。目標函數(shù)值只能是正,為了避免出現(xiàn)負值,需要在目標函數(shù)上加一個足夠大的正值。車輛懸架減振控制方案,通過輸入少量控制能量調(diào)節(jié)減振器的液力阻尼,改善懸架的振動特性。若以6)x利用下述公式能夠計算振動喜歡采集目標函數(shù):3.4狀態(tài)變量限制方程狀態(tài)變量是控制設(shè)計的因變量數(shù)值,是設(shè)計變量的函數(shù),在ANSYS中,需要對狀態(tài)變量的限制構(gòu)成限制方程。ANSYS規(guī)定狀態(tài)變量低于100個,應(yīng)選擇合理的狀態(tài)變量數(shù)量,確保足夠的限制設(shè)計。上述分析的車輛懸架減振控制規(guī)則,反映出既要作用在彈簧上,正比于車身絕對速度6)x3.5車輛懸架控制律設(shè)計變量的確定通過語言變量修改車輛懸架減振控制規(guī)則的表達方式,則有:和式(5)和式(6)適于3用模糊推理方法表示控制規(guī)則,并采用SM(SlidingMode滑模)控制模式,其是模型規(guī)范化控制,將原系統(tǒng)的二次型動力方程表為一次規(guī)范模型s=6)x在規(guī)范模型中,包含有待定的常數(shù)a,該控制模式以減低加速度為目標抑制振動。車輛懸架減震器減震器通車架相連,下端同車橋相連,變幅油缸同車輛懸架間鉸接,該兩處都是約束3個方向的平動自由度(UX、UY、UZ)和2個方法的轉(zhuǎn)動自由度(ROTY、ROTZ),車橋中心回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動自由度(ROTX)。車輛懸架工作時,減震器同車架以及車橋保持接觸,它們間沿接觸面的法向自由度必須耦合,并且切向自由度不能耦合,需要過濾掉。如果車架同車軸相對運動時,減震器重的孔壁同油液間的摩擦會產(chǎn)生對車身振動的阻尼力。運算模型中,阻尼力可采用如下方式處理:在ANSYS軟件前處理模塊中輸入懸架減震器采用的材料密度以及重力加速度,程序按照輸入的單元類型、實常數(shù)自主將單元阻尼系數(shù)信息計入總阻尼力,進行運算。在車輛懸架減震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中,應(yīng)先明確其目標函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計變量,進而塑造優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型,優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型的表達為:求設(shè)計變量:X={X將節(jié)點最大的vonMiseS減震粒當成狀態(tài)變量,也就是約束條件。優(yōu)化后,在超常工況情況下,車輛懸架上表面的最大減震強度是260.313MPa,最大減震力點位于靠近懸架減震器同車桿座立板圓弧處,在沖擊工況時,上面的最大應(yīng)力是282.744MPa,處于車架同車橋?qū)犹幍纳w板圓弧國度處,下表面的最大壓縮力是286.32MPa。超常工況和突發(fā)工況的車輛懸架減震阻尼力都低于290MPa,在允許范圍中,因此設(shè)計方法滿足車輛減震的要求。優(yōu)化設(shè)計變量的確定也是車輛懸架減震結(jié)構(gòu)的參數(shù)化過程,車輛懸架減震結(jié)構(gòu)是由液力減震器、車架、車橋構(gòu)成的復雜三維空間結(jié)構(gòu),但是全部的懸架都可看成板的組合,因此設(shè)計變量能夠通過阻尼系數(shù)當成基本參數(shù)。為了避免設(shè)計變量過多,本文取車輛懸架減震器靜強度和最大振動強度為約束條件當成優(yōu)化設(shè)計過程中的變化參數(shù)。最終設(shè)置了9個設(shè)計變量,則有X={X基于1中描述的設(shè)計變量和狀態(tài)變量,采用上節(jié)分析的APDL的設(shè)計優(yōu)化過程,對車輛懸架減震過程進行優(yōu)化分析。優(yōu)化前車輛懸架減震構(gòu)架的最大減震力度是2.86MPa,優(yōu)化后的最大減震力度是5.35MPa,優(yōu)化前車輛懸架減震器的阻尼力是405MPa,優(yōu)化后的阻尼力增加到580MPa,說明本文方法很好的完成了車輛懸架減震的優(yōu)化。4車輛阻尼力和最大衰減強度為了驗證本文方法的有效性,需要進行相關(guān)的實驗。實驗設(shè)置汽車以v=20m/s的速度駛過C級路面,隨機路面輸入可以用一階濾波的白噪聲來描述,即:其中,a表示路面不平度系數(shù)(rad/m),v表示車輛前進宿點,W表示高斯分布的白噪聲。路面不平度系數(shù)可由路面不平度分類標準獲取。分析本文方法和傳統(tǒng)方法下車輛懸架減震器阻尼力和最大減震強度情況,分別用圖3和圖4描述。分析圖3和圖4可得,通過本文方法下車輛阻尼力和最大減震強度都高于傳統(tǒng)方法,并且具有較高的平穩(wěn)性,具有較高的優(yōu)越性,確保了車輛運行的安全性。采用ANSYS軟件中的一階方法進行迭代優(yōu)化運算,通過10次迭代,消耗時間75min,第7次迭代獲取最佳解。表2描述了車輛懸架減震在傳統(tǒng)方法和本文方法優(yōu)化前后的相關(guān)數(shù)據(jù)對比結(jié)果。因而有限元優(yōu)化方法,可導致結(jié)果處于局部最佳解。車輛懸架的伸力和縮力在本文方法下都得到了較高的優(yōu)化結(jié)果,車輛懸架減震阻尼力由優(yōu)化前的405MPa,增加到580MP,增加了30.17%,并且最大減震力度由2.86MPa增加到5.35MPa,增加了46.54%。而傳統(tǒng)方法優(yōu)化前后,車輛懸架伸力和縮力雖然有所提高,阻尼力和最大減震力度的增加率分別只有18.18%和16.67%,遠遠小于本文提出的有限元優(yōu)化方法。統(tǒng)計分析上述實驗過程中的相關(guān)數(shù)據(jù),結(jié)果用表3描述:分析表2中的數(shù)據(jù)可得,采用本文提出的有限元設(shè)計方法,優(yōu)化車輛懸架的減震性能,控制時間、效率和精度都優(yōu)于傳統(tǒng)方法,具有較高的應(yīng)用價值。5車輛懸架減振優(yōu)化設(shè)計本文基于有限元分析和參數(shù)化的原理,提出一種車輛懸架減震優(yōu)化有限元方法,分析車輛懸架減震器的功能和結(jié)構(gòu),塑造車輛懸架減震