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特种车辆悬挂装置优化匹配研究 |
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作者：张洋 李耀伟 来源：MSC |
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摘要：文章以某特种车辆为研究对象，提出了一种基于虚拟样机技术和集成优化技术的特种车辆悬挂装置优化匹配方法。文章首先利用ADAMS/ATV工具箱建立了特种车辆模型，对该模型进行平顺性仿真，得到车体质心垂直方向振动加速度的均方根值：然后将此值作为优化目标在iSIGHT软件中建立了集成ADAMS和Matlab的优化模型，采用试验设计与响应面模型相结合的优化方法以及多岛遗传算法和序列二次规划相结合的优化策略，实现了悬架弹簧刚度和减振器阻尼系数的优化匹配研究。
1 前言
车辆的悬挂装置是指将车体和负重轮连接起来的所有部件的总称。该装置的功用是把车体和负重轮弹性地连接起来，传递作用在负重轮和车体间的一切力和力矩，缓和车辆行驶时经负重轮传到车体的冲击力，并减少车体的振动，保证车辆能以较高的速度行驶。试验表明，性能良好的悬挂装置，不仅能提高行进间的射击精度和首发命中率，还能减少整车的振动加速度，提高乘员持续工作的能力，改善乘员工作的舒适性。文章以某特种车辆为研究对象，提出了一种基于虚拟样机技术和集成优化技术的特种车辆悬挂装置优化匹配方法，对悬架的设计和整车性能提高具有指导意义。
2 建立模型
2.1 特种车辆模型
运用多体动力学软件ADAMS的履带工具箱ATV建立某特种车辆仿真模型。在建模过程中，车体是建立履带车辆模型的基本实体，履带系统中的所有车轮都与车体相连。所有车轮和履带组成了履带系统，车辆与地面的接触碰撞参数在履带系统中设置，车辆可有多个履带系统（不超过4个），每个履带系统可以有其自己的路面和路面参数。驱动轮以一个旋转副与车体相连，可以定义其相对车体的转动或转矩以使车辆运动。托带轮通过一个旋转副与车体相连。负重轮支承于悬挂装置后与车体相连，在诱导轮上还有履带张紧装置与车体相连，以保持履带适当的张紧程度。悬挂装置用旋转的弹簧和旋转的阻尼模拟，设定张紧装置的刚度系数和阻尼系数，由张紧装置的长度决定履带的张紧力。车体参考位置和方向在广义坐标系中定义，最后是包含若干节通过活动连接相连的履带节组成的履带。履带系统的位置和方向在车体坐标系下定义，而属于履带系统的实体的位置和方向又在履带系统座标系下定义。在ATV中对特种车辆的建模需要遵循由上至下的原则，顺序如下：
1.定义车辆模型ATV/creat/model；
2.建立车体模型ATV/creat/hull；
3.建立履带系统模型ATV/creat/tracksystem；
4.建立驱动轮ATV/creat/sprocket；
5.建立负重轮ATV/creat/road-wheel；
6.建立诱导轮ATV/creat/idler；
7.建立托带轮ATV/creat/support-roll；
8.建立履带板ATV/creat/belt；
9.装配履带系统ATV/misc/assemble track system。
按上述建模步骤建立的某特种车辆模型如图1所示，该模型有两条履带系统，采用双销履带，每条履带系统由诱导轮、负重轮、主动轮、托带轮和履带板组成。
图1 特种车辆模型
2.2 起伏路面模型
特种车辆作战地区的地形千差万别，特种车辆在不同的地形上行驶时其振动规律是不一致的。事实证明，特种车辆在坡长与车长相差不多的起伏地上行驶，振动较严重。为此，这里按特种车辆在连续起伏地面上行驶进行仿真。本文采用ADAMS自带的起伏路面谱（图2），该路面参数为：平均高程均方根值为0.194m，平均长度值为2.097m，微观纵剖面的均方偏差0.012m。
图2 起伏路面谱
3 整车在起伏路面下的平顺性仿真
3.1 平顺性评价指标
车辆行驶平顺性是评价悬挂系统动力学性能的重要指标，它关系到乘员的战斗条件和特种车辆行进间射击精度。这里采用车体质心垂直方向振动加速度作为悬挂系统振动性能的评价指标，对该模型进行平顺性仿真。
3.2 仿真初始条件设置
仿真时间长度为5秒，采样时间间隔为0.01s。仿真过程分为两个阶段，静力学仿真和动力学仿真。动力学仿真是在通过静力学仿真找到静平衡位置后进行的。仿真过程采用了GSTIFF积分求解器与实时校正的迭代算法，每步仿真误差为0.001，允许最大位移变步长0.1m，允许最大角位移变步长10度，车速为30km/h。
3.3 平顺性仿真
特种车辆模型以30km/h的速度通过起伏路面，车体质心垂直方向振动加速度曲线如图3所示，加速度的峰值为8.5116m/s2，均方根值为2.597m/s2。
图3 车体质心垂直方向振动加速度曲线
特种车辆悬挂装置优化匹配
4.1 悬挂装置的优化模型
悬挂装置应能保证特种车辆行驶时平稳，撞击少，乘员有较好的战斗条件，对射击精度影响小，这里将平顺性评价指标（车体质心垂直方向振动加速度的均方根a作为优化目标；在悬挂装置设计中，悬架弹簧刚度和减振器的阻尼系数是保证悬挂装置性能的主要参数，因此选择弹簧刚度k和阻尼系数μ作为设计变量，建立优化模型：
优化目标：y=amin
设计变量：x={x1，x2}={k，μ}
约束：240≤x1≤800(N/m)，30000≤x2≤40000(Ns/m)
初始设计值：当车速v=30km/h，弹簧刚度k=423N/m，阻尼系数μ=32000Ns/m时，车体质心垂直方向振动加速度的均方根a=2.597m/S2。
4.2 优化流程
本优化问题首先从己建立的特种车辆模型导出.adm文件，作为iSIGHT的输入文件，并建立相应的模板文件，用于定义设计变量；同时建立.txt文件，作为iSIGHT的输出文件。然后利用iSIGHT软件建立集成ADAMS和Matlab的某特种车辆优化模型1。该模型在约束条件范围内自动给出设计变量值，通过ADAMS求解器对特种车辆模型进行计算，输出车体质心垂直方向振动加速度随时间变化的数值，然后启动Matlab软件提取该数据，计算出加速度的均方根值，写入.txt输出文件，数据流程如图4所示。
图4 数据流程图
4.3 优化方案选择
由于特种车辆模型结构复杂，计算一步至少需要2个小时，而整个优化过程有1000多步。为了节省优化时间，我们采用试验设计方法与基于响应面模型的逼近方法相结合的优化方法。首先对特种车辆优化模型1进行四个水平的正交试验设计，生成响应面模型，拟合出一个弹簧刚度k、阻尼系数μ与车体质心垂直方向振动加速度a的近似关系式：
v=3.766-0.007x1+2.44×10-5x2+5.61×10-6x12-1.04×10-10x22-1.33×10-8x1x2
这样我们将复杂的特种车辆优化模型1简化成车体质心垂直方向振动加速度与弹簧刚度、阻尼系数的函数关系式。根据关系式，运用iSIGHT与Excel的无缝接口建立优化模型2。此模型计算一步仅需要几秒钟，大大节省了优化时间。
4.4 优化算法选取
优化设计是在约束可行域内寻找某种意义下最优方案的一种工程方法。本文采用了多岛遗传算法(Multi-island Genetic Algorithm)确定可行区域与序列二次规划(NLPQL)对可行区进行搜索相结合的策略寻找最优解。遗传算法扩大了搜索空间，不会导致计算陷入局部最优的困境；而序列二次规划可加快收敛速度。因此，两者相结合的优化策略既保证了优化结果的全局性，又兼顾了计算效率。
4.5 优化结果
ISIGHT经过优化、验证收敛、更新优化模型2再优化的循环过程，一共运行1003次，得到如下结果：
Best design parameter values：
x1=549.247029104912
x2=30008.5756299106
y=1.98593509723759
如图5-图7展现了整个优化过程中，各参数的取值过程及结果的计算过程。图5显示了优化过程中弹簧刚度的取值情况，图6显示了优化过程中弹簧阻尼系数的取值情况，图7是优化过程中车体质心垂直方向振动加速度的均方根的计算结果。
图5 弹簧刚度取值历程
图6 弹簧阻尼系数取值历程
图7 车体质心垂直方向振动加速度均方根值的计算历程
优化模型2是车体质心垂直方向振动加速度与弹簧刚度、阻尼系数间关系的近似模型，必将存在误差，这里将优化出的设计变量值带回到特种车辆的ADAMS模型进行计算，得出优化结果：即当弹簧刚度k=549.25N/m、阻尼系数μ=30008.58Ns/m时，车体质心垂直方向振动加速度的均方根值a=1.9526m/S2。
将优化后的车体质心垂直方向振动加速度曲线与初始设计（当弹簧刚度k=423N/m、阻尼系数μ=32000Ns/m时，车体质心垂直方向振动加速度的均方根a=2.597m/S2）的加速度曲线进行比较，如图8所示，红色曲线是优化前的车体质心垂直方向振动加速度曲线，蓝色曲线是优化后的车体质心垂直方向振动加速度曲线。图中可以明显看出加速度的峰值变小，曲线相对平滑。
图8 优化前、后的车体质心垂直方向振动加速度曲线
5 结论
本文以某特种车辆为研究对象，在iSIGHT软件中建立了集成ADAMS和Matlab的优化模型，实现了悬架弹簧刚度和减振器阻尼系数的优化匹配研究。结果表明，在给定的约束条件下，特种车辆的行驶平顺性得到提高，文章提出的一种基于虚拟样机技术和集成优化技术的特种车辆悬挂装置优化匹配方法是可行的，对悬架的设计和整车性能提高具有指导意义。但本文仅考虑在悬架的弹簧刚度和减振器阻尼系数的合理设计值范围内的约束条件，在进一步研究中可以考虑车底距地高地、负重轮行程及悬挂装置的储备位能等约束条件。(end)
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(3/7/2013) |
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