CN103942392A - 一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法，包括以下步骤：第一步，汽车整车参数的输入；第二步，确定最佳虚拟样机模型；第三步，构建数学模型，设计变量由可控变量、环境噪声因素和动力学测试参数组成；第四步，确定个体性能偏好，分层次聚合后，以整体性能偏好函数求解优化稳健解；第五步，设计结果的验证。与现有技术相比，本发明的有益效果是将开发设计阶段、生产制造阶段、使用阶段的多种信息参数作为设计变量，并以所有个体性能偏好聚合而成的整体性能偏好函数求解优化稳健解，保证了汽车底盘全生命周期的优化性能和稳健性能。另外，以通过仿真对比确定的最佳底盘样机模型为设计平台，保证了底盘结构类型的最优性。

Description

一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法

 

技术领域：    

本发明涉及一种汽车底盘设计方法，尤其是汽车底盘稳健设计方法，属于汽车设计技术领域。

背景技术：    

在现有的汽车底盘设计中，一般采用经验法、对比法、基于底盘单系统或多系统集成设计的方法。经验法主要是依据经验公式对底盘的某些技术参数进行设计；对比法主要是与参考车型进行对比分析确定相关技术参数；基于底盘单一系统或多系统集成优化的设计方法主要是以汽车底盘的转向系统、悬架系统、制动系统等某一系统或多系统为平台进行优化设计或稳健优化设计。这些方法一般只是以底盘的某些技术参数为设计变量，以汽车使用阶段的某一种或几种运行状态的动力学测试参数为目标函数，稳健设计中也只考虑了安装误差、制造误差等生产制造阶段的不确定信息，没有将底盘全生命周期内各个阶段的信息进行集成优化，因此不能保证产品在全生命周期内，即开发设计阶段、生产制造阶段、使用阶段的优化性能和稳健性能。

发明内容：    

针对现有技术的不足，本发明可以解决的问题是提出一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法，首先通过多个底盘虚拟样机模型的仿真对比分析得到最佳的底盘样机模型，然后以最佳样机模型为平台，设计其数学模型，并将汽车底盘开发设计阶段、生产制造阶段、使用阶段的多种信息参数作为设计变量，以个体性能偏好函数表示，分层次全部聚合到整体性能偏好函数中，最后以整体性能偏好函数求解优化稳健解。这种方法保证了汽车底盘在全生命周期内的优化性能和稳健性能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法，包括以下步骤：

第一步，汽车整车参数的输入，作为汽车底盘技术参数设计的基础数据；

第二步，确定汽车底盘最佳虚拟样机模型，调用底盘各子系统的参数化子模块，以输入的整车参数为基础，构建出多个不同结构类型的汽车底盘初始设计模型，并对比分析多种运行工况下的动力学特性，确定最佳的样机模型，并以此为基准构建数学模型及个体性能偏好函数；

第三步，构建汽车底盘的数学模型，以汽车底盘全生命周期为设计平台，将汽车底盘开发设计阶段、生产制造阶段、使用阶段的多种参数：可控变量、噪声因素、动力学测试参数作为设计变量，约束条件主要是指机构的尺寸约束、不发生运动干涉的条件等，目标函数为由所有个体性能偏好函数聚合而成的整体性能偏好函数；

第四步，偏好函数的定义，对可控变量、噪声因素、动力学测试参数等设计变量确定个体性能偏好函数，并分层次聚合到整体性能偏好函数中进行集成优化，以整体性能偏好函数求解优化稳健解，在求解过程中对权重系数进行偏好定义； 

第五步，设计结果验证，将优化稳健解带入底盘虚拟样机模型中进行仿真验证，并与经验公式求解的数值以及底盘技术参数数据库中存储的车型对比，确认完善后得到最终的设计结果，同时将设计结果储存到底盘技术参数数据库中。

本发明的优点是：将汽车底盘开发设计阶段、生产制造阶段、使用阶段的多种参数作为设计变量，并以个体性能偏好函数表示，分层次聚合到整体性能偏好函数中，以整体性能偏好函数求解底盘技术参数的优化稳健解，保证了汽车底盘全生命周期的优化性能和稳健性能。另外，以通过仿真对比分析确定的最佳底盘虚拟样机模型为基准设计数学模型，保证了底盘结构类型的最优性。

附图说明：    

图1是本发明的技术路线示意图。

具体实施方式：  

下面结合附图说明本发明的最佳实施方式。

1. 设计输入

首先输入整车的基本参数，主要包括整车的轴距、轮距、主销中心距、载荷、质心的位置、轮胎的主要参数，以及底盘技术参数：转向机构、行驶系统、制动系统的初始值和定义域，汽车使用中的噪声因素：载荷、制动力、转向力矩的初始值和定义域等。

2. 确定最佳虚拟样机模型

以输入的整车基本参数为基准，利用参数化虚拟样机模型自动完成转向系统、制动系统、行驶系统等模块的装配，各模块划分如下 

序号	模块名称	子模块代号	结构类型
				1	制动系统	Brake-disk	盘式
2	制动系统	Brake-drum	鼓式
				3	行驶系统	Sus-mfs	麦弗逊式悬架
4	行驶系统	Sus-shhb	双横臂式悬架
				5	行驶系统	Sus-zhs	烛式悬架
6	转向机构	Steer-int	整体式
				7	转向机构	Steer-divid	断开式
8	车身系统	Body	质心模块

通过同一模块但不同结构类型子模块的自由组合，构建出不同结构类型的汽车底盘虚拟样机模型，如附图中模块①。

利用构建的不同结构类型的汽车底盘虚拟样机，采用仿真脚本控制方式，用计算机仿真模拟不同设计参数值所对应的汽车多种运行工况的动力学特性，包括汽车底盘的制动性能、转向性能、操纵稳定性能、平顺性能等。具体的测试参数举例说明如下 

序号	测试参数
		1	制动侧滑
2	制动距离
		3	转向轮转角误差
4	转向侧滑
		5	悬架动行程
6	侧偏角
		┇	┇

选择任何几个动力学测试参数进行对比分析，并依据测试结果和用户需求分析每个模型的优缺点，确定最佳的虚拟样机模型，并存储此时对应的底盘相关参数数值，如路面等级、载荷、制动力、转向力矩等，作为定义设计变量个体性能偏好的参考依据。

3. 数学模型的构建

构建汽车底盘的数学模型，包括设计变量、约束条件和目标函数的构建。设计变量主要由可控变量、环境噪声因素和动力学测试参数组成。可控变量，即待设计的底盘技术参数，可以选择底盘制动系统制动盘的接触面积和安装位置、转向机构的梯形臂长度和梯形底角、悬架系统的内倾角和后倾角等，记作X =[x ₁，x ₂，x ₃，…]；环境噪声因素可以选择汽车使用阶段的相关参数，如路面等级、载荷、制动力、转向力矩等，记作Z =[z ₁，z ₂，z ₃，…]；动力学测试参数主要是指由可控变量、环境噪声因素建立的底盘动力学特性函数，记作F（X，Z）=[f ₁(X，Z)，f ₂(X，Z)， f ₃(X，Z)，…]。约束条件主要是指机构尺寸约束等；目标函数为由所有设计变量对应的个体性能偏好函数聚合而成的整体性能偏好函数。

动力学测试参数F（X，Z）是以可控变量、环境噪声因素为自变量的函数，可以采用已有的经验公式，或通过响应面方法建立，也可以采用其它方法建立。响应面方法流程如下：确定可控变量、环境噪声因素及其变异量，通过仿真实验获得可控变量、环境噪声因素及对应的动力学测试参数数值，以这些数据为基础建立动力学测试参数的响应面模型。

4. 偏好函数的定义

以个体性能偏好函数表示汽车底盘全生命周期设计中的多种参数信息，并将个体性能偏好函数分层次聚合到个体偏好集成函数中，再将所有的个体偏好集成函数聚合到整体性能偏好函数中，以整体性能偏好函数求解底盘技术参数的优化稳健解，如附图中模块②。各类偏好函数的值域在[0，1]范围内。值为1表示性能最好，值为0表示性能最差。在求解过程中为减小人为因素的干扰，对权重系数进行偏好定义。

在汽车底盘全生命周期设计中主要考虑三个阶段的个体性能偏好，即开发设计阶段、生产制造阶段、用户使用阶段。开发设计阶段主要考虑数学模型中设计变量、动力学测试参数的个体性能偏好的定义，使其能够最大程度的满足设计需求；生产制造阶段主要是减少制造误差、安装误差等不确定因素对底盘动力学特性的影响，以设计变量的允许变异量确定其偏好；用户使用阶段主要是指减小环境噪声因素对汽车动力学测试参数值的影响，以汽车使用过程中常用的参数范围为基础定义其偏好。

开发设计阶段中可控变量的偏好以经验公式的计算结果、仿真测试结果以及对比车型相应的设计值为依据进行定义。例如对于可控变量-转向梯形底角x ₁，按照转向机构最小传动角的约束和安装空间的约束，其定义域为x ₁=[60，75]°；根据仿真测试结果，转向梯形底角的最佳结果为x ₁=72.5°；根据经验公式计算的最佳结果为x ₁=64°；所以转向梯形底角在x ₁=72.5°和x ₁=64°最佳。按照汽车底盘生产制造阶段的安装误差，x ₁的允许变异量为2%，所以在2%变异量的影响下，最佳结果出现在x ₁= [62.7，65.3]°或x ₁= [71，74]°范围内均有可能，因此将此范围内的个体性能偏好确定为1，其余定义域内设计点的偏好以一次函数确定，也可以使用其他函数确定。最终转向梯形底角x ₁的偏好a ₁定义如下

汽车使用阶段的环境噪声因素的偏好定义以汽车使用过程中常用参数数值范围为基础定义。例如对于汽车总质量，定义域为z ₁=[17.2，39.2]t，即空载质量为17.2t，满载质量为39.2t。考虑制造误差和使用中装载量的不确定性，常见变异量为1%，所以在1%变异量的影响下，汽车总质量出现在z ₁= [17，17.4]t或z ₁= [38.8，39.6]t范围内均有可能，因此将此范围内的个体性能偏好确定为1，其余设计点的偏好以一次函数确定，也可以使用其他函数确定。最终汽车总质量z ₁的偏好函数β ₁定义如下

动力学测试参数的偏好以汽车整车动力学性能为基准定义。例如，对于制动过程中制动侧滑f ₁(x, z)，设计要求：车速在10km/h时制动，最大制动侧滑量小于5mm，并且侧滑量越小越好，所以其个体性能偏好γ ₁定义如下

        

确定个体性能偏好函数后，需要分层次将不同类型的个体性能偏好函数分别聚合成个体偏好集成函数，主要包括可控变量偏好的聚合、环境噪声因素偏好的聚合和动力学测试参数偏好的聚合。

对于设计变量偏好的聚合，聚合方式如下式

式中，α ₁、α ₂、α ₃、…，为可控变量个体性能偏好，ω _α1、ω _α2、ω _α3、…，为权重系数的偏好。由于各个可控变量各自独立，各权重偏好相同，权重偏好和为1。权重偏好也可以按照用户要求设定。

对于环境噪声因素偏好的聚合，聚合方式为

                              

式中，β ₁、β ₂、β ₃、…，为环境噪声因素偏好，ω _β1、ω _β2、ω _β3、…，为权重系数的偏好。由于环境噪声因素各自独立，各权重偏好相同，权重偏好和为1。权重偏好值也可以按照用户要求设定。

对于动力学测试参数偏好的聚合，聚合方式为

                    

式中，γ ₁、γ ₂、γ ₃、…，为动力学测试参数的偏好，ω _γ1、ω _γ2、ω _γ3、…，为权重系数的偏好。

由于各动力学测试参数代表着不同用户群体的偏好，因此权重值采用权重比方式确定其偏好。流程如下：首先采用配对比较的方法，两两比较测试参数之间的重要性，并依据重要程度设计配对比较矩阵。例如，有n个目标K ₁，K ₂，…，K _n的多目标优化问题，对这n个目标存在一组重要性的权重比，分别为r ₁，r ₂，…，r _n，两两比较出各优化目标的重要性比值，建立矩阵K，将K乘以一个权重比构成的向量r =[r ₁，r ₂，…，r _n] ^T，如下式

                    

矩阵K最大特征值所对应的特征向量即为各动力学测试参数的权重偏好值。

动力学测试参数权重重要性比值可按用户的偏好进行定义，举例说明如下

重要程度	重要性比值
		甲与乙同样重要	1
甲比乙稍微重要	3
		甲比乙重要	5
甲比乙非常重要	7
		与甲相比，乙完全不重要	9

例如，对于三个动力学测试参数，如转向侧滑、悬架动行程、制动距离，对于其权重系数的设计，按照下表的权重比初始值定义，建立的重要性比配对比较矩阵K，如式

配对比较矩阵K的最大特征值为λ _max=3，其对应的特征向量为r =[0.842，0.5071，0.1690_] ^T，因此最后所得的权重系数偏好值如下表

动力学测试参数	悬架动行程	转向侧滑	制动距离
				权重比初始值	5	3	1
权重系数偏好值	0.8432	0.5071	0.1690

动力学测试参数权重的偏好也可以用其它方法确定。

将个体性能偏好分别聚合成个体偏好集成函数后，再将这些个体偏好集成函数聚合为整体性能偏好函数，如下式

                

式中，P ₁、P ₂、P ₃分别是可控变量、环境噪声因素以及动力学测试参数的个体偏好集成函数；ω _p1 、ω _p2 、ω _p3是权重系数，仍采用权重比方式确定，也可以按照用户要求设定。

最后，以整体性能偏好函数的信噪比最大求解优化稳健解，如下

也可以采用其它方法求解整体性能偏好函数的优化稳健解。

5.设计结果的验证

设计结果验证，将优化稳健解带入底盘虚拟样机模型中进行仿真验证，并与经验公式求解的数值以及底盘参数数据库中存储的对比车型进行对比，确认完善后得到最终的设计结果，同时将设计结果存储到底盘技术参数数据库中，如附图中模块③。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，汽车整车参数的输入，作为汽车底盘技术参数设计的基础数据；

第二步，确定汽车底盘最佳虚拟样机模型，调用底盘各子系统的参数化子模块，以输入的整车参数为基础，构建出多个不同结构类型的汽车底盘初始设计模型，并对比分析多种运行工况下的动力学特性，确定最佳的样机模型，并以此为基准构建数学模型及个体性能偏好函数；

第三步，构建汽车底盘的数学模型，以汽车底盘全生命周期为设计平台，将汽车底盘开发设计阶段、生产制造阶段、使用阶段的多种参数：可控变量、噪声因素、动力学测试参数作为设计变量，约束条件主要是指机构的尺寸约束、不发生运动干涉的条件等，目标函数为由所有个体性能偏好函数聚合而成的整体性能偏好函数；

第四步，偏好函数的定义，对可控变量、噪声因素、动力学测试参数等设计变量确定个体性能偏好函数，并分层次聚合到整体性能偏好函数中进行集成优化，以整体性能偏好函数求解优化稳健解，在求解过程中对权重系数进行偏好定义； 

第五步，设计结果验证，将优化稳健解带入底盘虚拟样机模型中进行仿真验证，并与经验公式求解的数值以及底盘技术参数数据库中存储的车型对比，确认完善后得到最终的设计结果，同时将设计结果储存到底盘技术参数数据库中。

2.按照权利要求1所述的一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法，其特征在于，可控变量的偏好以经验公式的计算结果、仿真测试结果以及对比车型相应的设计值为依据进行定义，偏好函数可以是一次函数，也可以是其它类型的函数，或多个函数的组合函数。

3.按照权利要求1所述的一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法，其特征在于，以汽车整车动力学性能为依据，对动力学测试参数确定个体性能偏好函数，并以汽车常用参数数值范围确定环境噪声因素的偏好。

4.按照权利要求1所述的一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法，其特征在于，对于个体偏好集成函数和整体性能偏好函数的权重系数偏好，可以采用权重比方式确定，也可以采用其他方式确定。

5.按照权利要求1所述的一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法，其特征在于，在配对比较矩阵中，可以按照用户的需求调整初始权重重要性比值，从而改变最终的权重偏好值。

6.按照权利要求1所述的一种基于全生命周期的汽车底盘技术参数稳健设计方法，其特征在于，在提交最终设计结果的同时，将本次设计结果储存到底盘技术参数数据库中。