CN111444623A - 一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法及系统，包括，分别建立目标商用车振动模型、悬架组件非线性模型；依次设定协同优化目标、协同设计变量及协同优化约束条件；编写、调用多目标算法程序并关联优化目标、设计变量及约束条件；驱动目标商用车振动模型仿真计算得到平顺性及悬架动行程的数值指标，获得多组满足约束条件的可行解并加以比较；选择同时满足平顺性和悬架动行程性能指标的最优解作为优化结果；利用优化结果完成协同优化。本发明方法基于悬架阻尼动力学非线性关系建立更为准确的振动计算模型，利用多目标优化策略同时提升座椅导轨平顺性、降低驾驶室悬置及底盘悬架动行程，达到悬架动力学优化的目的。

Description

一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法及系统

技术领域

本发明涉及汽车工程技术领域，尤其涉及一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法及系统。

背景技术

近年来，货物公路运输业及商用车使用数量随国内经济发展而发展，商用车于公路货物运输业中扮演着越来越重要的作用；高品质化发展已成为一种主要趋势，高舒适性要求使平顺性成为厂商关注的车辆主要性能指标之一，悬架作为影响车辆平顺性的关键部件，其相关参数影响平顺性时且亦相矛盾的作用于悬架相关的部分其他性能。基于此，提升整车平顺性及协同悬架综合动力学性能对增强其市场竞争力具有重要意义。

为便于建模实现，基于拉格朗日理论或牛顿第二定律建立车辆振动微分，并据之在MATLAB/Simulink建立振动模型以开展仿真计算方法在建模过程中通常忽略悬架非线性动力学关系及其阻尼安装姿态等因素对其产生的影响，分析易知：将悬架参数进行简单的线性等效处理会降低仿真计算结果准确性。基于此，提出一种基于悬架阻尼非线性且能同时协调悬架动力学、有效提升乘坐舒适性的商用车悬架动力学协同优化方法对车辆性能提升具有重要意义。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，解决了现有重型商用车平顺性与悬架动行程相互矛盾，造成车架、驾驶室撞击限位块的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，分别建立目标商用车振动模型、悬架组件非线性模型；依次设定协同优化目标、协同设计变量及协同优化约束条件；编写、调用多目标算法程序并关联所述优化目标、所述设计变量及所述约束条件；驱动所述目标商用车振动模型仿真计算得到平顺性及悬架动行程的数值指标，获得多组满足所述约束条件的可行解并加以比较；选择同时满足所述平顺性和所述悬架动行程性能指标的最优解作为优化结果；利用所述优化结果完成所述协同优化。

作为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的一种优选方案，其中：建立所述目标商用车振动模型包括，推导振动模型微分方程、构建振动仿真路面及振动计算模型；建立所述悬架组件非线性模型包括，构建悬架减振器动力学非线性模型、构建驾驶室后悬阻尼力计算模型。

作为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的一种优选方案，其中：所述振动模型微分方程利用牛顿第二定律进行推导，包括，利用实车结构构建所述目标商用车振动模型；基于所述牛顿第二定律建立目标商用车各质量体振动微分方程，包括，座椅垂直振动微分方程、驾驶室垂直及俯仰振动微分方程、二类底盘状态簧垂直及俯仰振动微分方程、前悬架垂直振动微分方程、平衡悬架垂直及俯仰振动微分方程、挂车簧载质量垂直及俯仰振动微分方程、挂车悬架垂直振动微分方程。

作为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的一种优选方案，其中：构建所述振动仿真路面包括，激发瞬态响应的冲击路面和激发稳态响应的随机路面，对商用车振动系统提供位移激励；其中，所述冲击路面包括，纵向截面为梯形、半圆形及正弦状的凸起，所述随机路面包括，利用滤波白噪声构建，如下：

构建所述振动计算模型包括，利用所述振动微分方程及所述振动仿真路面，结合MATLAB/Simulink软件进行组合。

作为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的一种优选方案，其中：构建所述悬架减振器动力学非线性模型包括，利用所述目标商用车底盘悬架减振器及驾驶室悬置减振器的非线性动力学关系，获得所述目标商用车减振器阻尼力与其拉伸、压缩速度间存在强非线性关系，利用下式进行拟合:

F＝λ[1+η·sgn(v)]|v|ⁿ

其中，F：减振器阻尼力，v：减振器的压缩或拉伸速度，λ、η、n为拟合系数；构建所述驾驶室后悬阻尼力计算模型，包括，所述驾驶室后悬存在安装角度，基于准确计算目标商用车平顺性，在所述振动模型中考虑所述减振器安装角度的影响，所述驾驶室后悬阻尼力如下：

其中，F_r：驾驶室后悬阻尼力，v_r：驾驶室后悬减振器拉伸或压缩速度，α：驾驶室后悬减振器安装角度；所述阻尼力计算模型替换所述目标商用车振动微分方程中与其对应的所述阻尼力，建立阻尼非线性的商用车悬架动力学计算模型。

作为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的一种优选方案，其中：设定所述协同优化目标包括，座椅导轨平顺性、底盘悬架动行程、驾驶室悬置动行程；将所述座椅导轨平顺性、所述底盘悬架动行程及所述驾驶室悬置动行程作为优化子目标，则所述协同优化目标如下：

min F(X)＝f₁(X)，f₂(X)，f₃(X)

其中，f₁(X)：所述座椅导轨平顺性的优化目标，f₂(X)：所述底盘悬架动行程的优化目标，f₃(X)：所述驾驶室悬置动行程的优化目标。

作为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的一种优选方案，其中：设定所述协同设计变量包括，底盘前悬刚度、平衡悬架刚度、驾驶室前悬刚度、驾驶室后悬刚度、驾驶室后悬安装角度及非线性阻尼力拟合系数，所述协同设计变量如下：

作为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的一种优选方案，其中：悬架参数同时影响所述平顺性、部分其他矛盾的车辆性能及其他悬架指标，为了避免所述平顺性优化造成其他性能或指标过度恶化，需对其进行约束计算，则设定所述协同优化约束条件包括，

车轮动载荷：

底盘悬架静挠度：

底盘悬架偏频：

作为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的一种优选方案，其中：所述悬架动力学协同优化包括，利用所述MATLAB应用环境将所述协同优化目标、所述协同设计变量及所述协同优化约束条件程序化；编写、调用所述多目标算法程序并关联程序化后的所述优化目标、所述设计变量及所述约束条件；利用所述多目标优化策略将设计空间产生的设计变量赋值到所述目标商用车振动计算模型中；驱动所述振动计算模型进行仿真计算得到所述平顺性及所述悬架动行程的数值指标，获得多组满足所述约束条件的可行解并加以比较，求得前沿解；重复多次计算，得到可行解空间及Pareto前沿解集；提取所述解集中多组具有不同悬架动力学性能的最优解，并选择其中所述平顺性与所述悬架动行程同时具有的最优解作为优化结果；将所述优化结果输入所述振动计算模型并进行仿真计算，输出优化后的所述优化目标数值，完成所述协同优化。

作为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化系统的一种优选方案，其中：包括，显示模块，用于显示仿真运动和分析、比较、验证所述计算结果，其包括主窗口单元和附属窗口单元，所述目标商用车振动模型仿真结果动画以及参数在所述主窗口单元界面进行显示；总控模块与所述显示模块相连接，用于调配参数，设定所述协同优化目标、所述协同设计变量及所述协同优化约束条件，控制仿真程序运行，并将运行结果实时通过输入输出管理模块传输至所述显示模块的界面中进行显示；所述输入输出管理模块，用于传输数据流及参数信息，管理系统内部运行参数和数据，分别存储协同优化前及优化后的数据，当查询时，则能快速准确地输出查询信息，便于分析研究；优化处理模块，用于计算处理所述悬架动力学协同优化，创建种群、计算目标函数、进行归一化处理，通过所述输入输出管理模块输出优化结果。

本发明的有益效果：本发明方法基于悬架阻尼动力学非线性关系建立更为准确的振动计算模型，通过悬架动力学指标及系统参数协同优化的方法，达到悬架振动协同优化控制的目的，利用多目标优化策略解决平顺性与动行程相互矛盾无法协调配合工作的问题，协调降低车架、驾驶室撞击限位块的概率，有效降低了悬架冲击振动及异响噪声的发生，使得平顺性更接近于实际，并且以部分悬架其他性能指标为约束条件，避免其性能降低过大，为商用车悬架动力学设计与优化提供更为可靠的应用方法；同时，有效地提升商用车悬架综合动力学性能，协调满足汽车平顺性、冲击振动、操纵稳定性及行驶安全性对悬架阻尼动力学特性的要求，提高商用车悬架开发及优化效率，缩短开发成本及开发周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的流程示意图；

图2为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的目标商用车振动模型示意图；

图3为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的冲击路面类型示意图；

图4为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的减振器动力学非线性示意图；

图5为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的驾驶室后悬减振器安装角度示意图；

图6为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的协同优化计算流程示意图；

图7(a)为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的40km/h座椅导轨振动加速度时域示意图；

图7(b)为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的80km/h座椅导轨振动加速度时域示意图；

图7(c)为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的40km/h底盘前悬架动行程时域示意图；

图7(d)为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的80km/h底盘前悬架动行程时域示意图；

图7(e)为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的40km/h底盘后悬架动行程时域示意图；

图7(f)为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法的80km/h底盘后悬架动行程时域示意图；

图8为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化系统的模块结构分布示意图；

图9为本发明所述的一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化系统的网络结构分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明方法基于引入减振器动力学非线性因素而建立一种改进的商用车振动计算模型，以提升其振动相关的分析计算及优化设计等工作的可靠性，解决现有重型商用车平顺性或舒适性计算模型粗略的问题；本实施例还提出了一种以平顺性、底盘前后悬架动行程为优化目标，悬架刚度、非线性阻尼系数及驾驶室后悬安装角度为设计变量，车轮动载荷、悬架静行程及悬架偏频为约束条件的悬架动力学协同优化方法，利用多目标优化策略解决平顺性与悬架动行程相互矛盾无法协调配合工作的问题，协调降低车架、驾驶室撞击限位块的概率、降低了悬架冲击振动及异响噪声。

参照图1～图6，为本发明的第一个实施例，提供了一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化及验证方法，包括：

S1：分别建立目标商用车振动模型、悬架组件非线性模型。其中需要说明的是，建立目标商用车振动模型包括：

振动模型微分方程推导、振动仿真路面构建及振动计算模型构建。

建立悬架组件非线性模型包括：

悬架减振器动力学非线性模型构建、驾驶室后悬阻尼力计算模型构建。

具体的，振动模型微分方程利用牛顿第二定律进行推导，包括：

参照图2，利用实车结构构建目标商用车振动模型，振动模型包括，车轮、底盘悬架、驾驶室悬架、二类底盘、鞍座、驾驶室、座椅、驾驶员以及挂车，其中，前轮刚度、后轮刚度、后轮刚度及挂车车轮刚度下端与路面连接，上端连接其所对应的非簧载质量，非簧载质量上端通过悬架刚度与阻尼连接与二类底盘和挂车，二类底盘上端分别通过驾驶室悬置和鞍座连接驾驶室与挂车，驾驶室内座椅刚度与阻尼上端连接驾驶员。

基于牛顿第二定律建立目标商用车各质量体振动微分方程，包括座椅垂直振动微分方程：

其中，m_p：座椅与驾驶员质量，k_p：座椅刚度，l₈：座椅及驾驶员质心到驾驶室质心距离；

驾驶室垂直及俯仰振动微分方程：

其中，m_c：驾驶室质量，k_f：驾驶室前悬刚度，k_r：驾驶室后悬刚度，c_f：驾驶室前悬等效阻尼，c_r：驾驶室后悬等效阻尼，c_p：座椅等效阻尼，l₅：驾驶室质心到二类底盘簧载质心距离，l₆：驾驶室前悬到驾驶室质心距离，l₇：驾驶室后悬到驾驶室质心距离，J_c：驾驶室转动惯量；

二类底盘状态簧垂直及俯仰振动微分方程：

其中，m_b：二类底盘状态簧载质量，J_b：二类底盘状态簧载转动惯量，k₁：底盘前悬刚度，k_s：鞍座刚度，k₂：底盘后悬刚度，c_s：鞍座等效阻尼，c₁：底盘前悬等效阻尼，c_2-3：底盘后悬等效阻尼，l₁：底盘前悬到二类底盘状态簧载质心距离，l₂：底盘后悬到二类底盘状态簧载质心距离，l₃：后轴1到平衡悬架质心距离，l₄：后轴2到平衡悬架质心距离，l₉：二次底盘簧载质心到鞍座距离，l₁₀：鞍座到挂车簧载质心距离；

前悬架垂直振动微分方程：

其中，m₁：前悬非簧载质量，k₇：前轮刚度；

平衡悬架垂直及俯仰振动微分方程：

其中，m_e：平衡悬架质量，J_e：二类底盘状态簧载转动惯量，k_8-9：后轮刚度；

挂车簧载质量垂直及俯仰振动微分方程：

其中，m_t：挂车簧载质量，J_t：挂车簧载转动惯量，k_4-6：挂车悬架刚度，c_4-6：挂车悬架等效阻尼，l₁₁：挂车簧载质心距离到挂车悬架2距离，l₁₂：挂车悬架2到挂车悬架1距离，l₁₃：挂车悬架2到挂车悬架3距离；

挂车悬架垂直振动微分方程：

其中，m_4-6：挂车悬架非簧载质量，k_10-12：挂车车辆刚度。

进一步的，构建振动仿真路面包括：

激发瞬态响应的冲击路面和激发稳态响应的随机路面，对商用车振动系统提供位移激励；

其中，冲击路面包括：

纵向截面为梯形、半圆形及正弦状的凸起；

随机路面包括：

利用滤波白噪声构建，如下：

构建振动计算模型包括，利用振动微分方程及振动仿真路面，结合MATLAB/Simulink软件进行组合。

较佳的是，参照图4，构建悬架减振器动力学非线性模型包括：

利用目标商用车底盘悬架减振器及驾驶室悬置减振器的非线性动力学关系，获得目标商用车减振器阻尼力与其拉伸、压缩速度间存在强非线性关系，利用下式进行拟合:

F＝λ[1+η·sgn(v)]|v|ⁿ

其中，F：减振器阻尼力，v：减振器的压缩或拉伸速度，λ、η、n为拟合系数。

构建驾驶室后悬阻尼力计算模型，包括：

参照图5，驾驶室后悬存在安装角度，基于准确计算目标商用车平顺性，在振动模型中考虑减振器安装角度的影响，驾驶室后悬阻尼力利用下式进行计算，如下：

其中，F_r：驾驶室后悬阻尼力，v_r：驾驶室后悬减振器拉伸或压缩速度，α：驾驶室后悬减振器安装角度；

阻尼力计算模型替换目标商用车振动微分方程中与其对应的阻尼力，建立阻尼非线性的商用车悬架动力学计算模型。

S2：依次设定协同优化目标、协同设计变量及协同优化约束条件。本步骤需要说明的是，协同优化目标是协同优化悬架动力学相关的性能指标(即平顺性、悬架动行程)，则设定协同优化目标包括：

座椅导轨平顺性、底盘悬架动行程、驾驶室悬置动行程。

再进一步的是，设定协同设计变量包括：

底盘前悬刚度、平衡悬架刚度、驾驶室前悬刚度、驾驶室后悬刚度、驾驶室后悬安装角度及非线性阻尼力拟合系数，协同设计变量如下：

X＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈,x₉,x₁₀,x₁₁,x₁₂,x₁₃,x₁₄,x₁₅,x₁₆,x₁₇}^T

＝{k_f,k_r,k₁,k₂,q,l_f1,h_f1,n_f1,l_r1,h_r1,n_r1,l₁,h₁,n₁,l₂,h₂,n₂}^T

具体的，悬架参数同时影响平顺性、部分其他矛盾的车辆性能及其他悬架指标，为避免平顺性优化造成其他性能或指标过度恶化，需要对其进行约束计算，则设定协同优化约束条件包括：

车轮动载荷，当轮胎载荷随悬架运动而波动时，轮胎动态延迟机理影响有效侧向力、纵向力减小，若保持稳定的轮胎法向载荷，则获得较大的轮胎力，若轮胎动载荷波动增加，则轮胎抓地能力将随之减弱，如下：

底盘悬架静挠度：

底盘悬架偏频：

S3：将协同优化目标、协同设计变量及协同优化约束条件程序化，结合多目标优化策略对悬架动力学协同优化并进行验证。其中还需说明的是，悬架动力学协同优化包括：

利用MATLAB应用环境将协同优化目标、协同设计变量及协同优化约束条件程序化；

编写、调用多目标算法程序并关联优化目标、设计变量及约束条件；

利用多目标优化策略将设计空间产生的设计变量赋值到目标商用车振动计算模型中；

驱动振动计算模型进行仿真计算得到平顺性及悬架动行程的数值指标，获得多组满足约束条件的可行解并加以比较，求得前沿解；

重复多次计算，得到可行解空间及Pareto前沿解集；

提取解集中多组具有不同悬架动力学性能的最优解，并选择其中平顺性与悬架动行程同时具有的最优解作为优化结果；

将优化结果输入振动计算模型并进行仿真计算，协调商用车平顺性、底盘悬架动行程及驾驶室悬置动行程的参数，输出优化后的优化目标数值，完成协同优化。

具体的，平顺性作为悬架动力学相关的主要性能指标之一，对商用车而言，其平顺性主要通过座椅导轨或座椅面的振动加速度进行评价，对平顺性进行优化控制的主要目的是提升乘员乘坐舒适性，考虑到人体器官对振动频率响应不同，故参照国际标准ISO 2631对振动进行频率加权，则目标商用车平顺性定义如下：

其中，a(t)：驾驶员座椅导轨Z向振动加速度时域信号；

进一步的，悬架动行程定义为车轮和车身的位移差的均方根值，描述相对于静平衡位置悬架位移的变化程度，根据随机路面高斯分布的假设，对线性系统而言，其响应也具有高斯性质，可通过正态分布描述，对悬架动行程而言，可认为在平衡位置条件下，车轮和车身保持相对位移在±SWS_rms、±2SWS_rms、±3SWS_rms以内的概率分别为68.3％、95.4％、99.7％，根据悬架动行程均方根值决定在某种路面输入条件下所需的悬架动行程，如下：

通俗的说，直接影响车辆舒适性的悬架动力学性能指标有平顺性及悬架动行程，其中，平顺性通过目标测点的振动加速度频率加权均方根值进行评价，悬架动行程则根据悬架上下安装点的位移差值均方根值进行衡量，总体而言，平顺性越好(频率加权均方根值越小)及悬架动行程越小(位移差的均方根值越小)则车辆舒适性越好；然而上述性能于实际情况中是相互矛盾的，主要体现在：较好的平顺性往往需要软悬架，即悬架刚度小(一定范围内)，然而悬架刚度减小后其下安装点受到激励作用时更易发生变形，使得上下安装点间的位移差增大，进而使悬架动行程增大，此时，商用车底盘或驾驶室更易撞击悬架限位块，产生冲击振动及噪声而影响车辆舒适性。

为了验证本发明方法能够有效地利用多目标优化策略解决平顺性与动行程相互矛盾无法协调配合工作的问题，协调降低车架、驾驶室撞击限位块的概率、降低了悬架冲击振动及异响噪声，使得平顺性更接近于实际，本实施例分别选择30km/h、60km/h、90km/h下的座椅导轨平顺性、底盘悬架动行程及驾驶室悬置动行程作为优化子目标，保证协同优化在不同车速下优化结果的可靠性、稳定性，则协同优化目标如下：

min F(X)＝f₁(X)，f₂(X)，f₃(X)

其中，f₁(X)：座椅导轨平顺性的优化目标，f₂(X)：底盘悬架动行程的优化目标，f₃(X)：驾驶室悬置动行程的优化目标；

座椅导轨平顺性设定如下：

其中，aw1、aw2、aw3分别为30km/h、60km/h、90km/h座椅导轨振动加速度频率加权均方根值，aw1、aw2、aw3分别为优化前30km/h、60km/h、90km/h座椅导轨振动加速度频率加权均方根值；

底盘悬架动行程如下：

其中，SWSfc_rms_1、SWSfc_rms_2、SWSfc_rms_3分别为30km/h、60km/h及90km/h驾驶室前悬置动行程均方根值，SWSfc_rms_b1、SWSfc_rms_b2、SWSfc_rms_b3分别为优化前30km/h、60km/h及90km/h驾驶室前悬置动行程均方根值，SWSrc_rms_1、SWSrc_rms_2、SWSrc_rms_3分别为30km/h、60km/h及90km/h驾驶室后悬置动行程均方根值，SWSrc_rms_b1、SWSrc_rms_b2、SWSrc_rms_b3分别为优化前30km/h、60km/h及90km/h驾驶室后悬置动行程均方根值；

驾驶室悬置动行程如下：

其中，SWSfb_rms_1、SWSfb_rms_2、SWSfb_rms_3分别为30km/h、60km/h及90km/h底盘前悬架动行程均方根值，SWSfb_rms_b1、SWSfb_rms_b2、SWSfb_rms_b3分别为优化前30km/h、60km/h及90km/h底盘前悬架动行程均方根值，SWSrb_rms_1、SWSrb_rms_2、SWSrb_rms_3分别为30km/h、60km/h及90km/h平衡悬架动行程均方根值，SWSrb_rms_b1、SWSrb_rms_b2、SWSrb_rms_b3分别为优化前30km/h、60km/h及90km/h平衡悬架动行程均方根值。

参照图6，基于多目标优化算法的悬架动力学协同优化还包括以下步骤：

(1)对优化算法的相关参数(如种群规模、最大迭代次数等)进行初始化；

(2)编写多目标程序代码，运行、关联优化目标，并根据优化区间产生优化设计变量，部分程序代码如下所示：

(3)判断设计变量是否满足约束条件，若是，则将设计变量赋予振动计算模型并计算目标函数，若否，则更新设计变量直至满足约束条件；

(4)对目标函数进行归一化处理，计算得到Pareto(帕雷托理论)前沿解集；

(5)判断是否达到最大迭代次数，若是，则输出优化结果，若否，则更新设计变量继续进行优化计算直至满足约束条件；

(6)提取同时满足平顺性和悬架动行程运行参数较优值，协调两者参数在同一区间运行不平衡缺陷；

(7)将较优值输入振动计算模型内，再次驱动仿真计算，输出优化后的参数值；

(8)对比优化前后的参数值，观测优化程度。

具体的，底盘设计变量优化前后数据和优化完成后得到的最优设计变量如下表所示：

表1：底盘设计变量优化表。

表2：最优设计变量表。

参照表1，本实施例通过验证不同车速下的座椅导轨平顺性、底盘悬架动行程及驾驶室悬置动行程作为优化子目标能够保证协同优化目标在不同车速下优化结果的可靠性、稳定性(优化后的设计变量数据较之优化前的设计变量数据呈稳定的上升趋势)，以此为基础引用多目标优化算法优化设计变量，编写、调用多目标程序代码，关联优化目标运行其动力学参数，并将其赋值到基于阻尼非线性的商用车振动计算模型，驱动其进行仿真计算得到平顺性及悬架动行程的数值指标，获得多组满足约束条件的可行解，比较各可行解的平顺性及悬架动行程得到前沿解，重复多次计算后，得到可行解空间及Pareto前沿解集，参照表2，该解集提供多组具有不同悬架动力学性能的最优解，选择其中平顺性及悬架动行程同时最优的解为优化结果，协调商用车平顺性、底盘悬架动行程及驾驶室悬置动行程，从而协调降低车架、驾驶室撞击限位块的概率、悬架冲击振动及异响噪声，使得平顺性更接近于实际，使综合舒适性达到最优。

实施例2

参照图7(a)～图7(f)，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是说明了一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，能够解决现有优化方法中优化目标定义单一及悬架综合性能协调不足所造成的优化效率低、优化方法实用性窄的问题。

为验证本发明方法能够解决现有商用车平顺性、舒适性优化方法中计算模型粗略、优化目标定义单一及悬架综合性能协调不足所造成的优化方法实用性窄的问题，本实施例分别将优化前后的设计变量代入目标商用车改进振动计算模型中，输出座椅导轨振动加速度以及前后悬架动行程在40km/h和80km/h下的时域信号。

参照图7，获得优化前后的优化目标对比数据，如图7(a)～图7(f)所示，虚线(优化前)幅值比实线(优化后)幅值大，即振动加速度越大，车体抖动的越厉害，由于优化设计变量后使得商用车底盘悬架及驾驶室悬置的动力学特性(固有频率及能量耗散系数)发生改变，从而影响其产生作用力的大小，进一步影响其在相同激励作用下所产生的振动响应，从图中幅值能够看出，优化后的幅值较小(振动加速度较小)，波动不大，趋于稳定趋势(车辆较平顺舒适)，说明了本发明方法在不同时速下以部分悬架其他性能指标为约束条件，避免其性能降低过大，为商用车悬架动力学设计与优化提供更为可靠的应用策略，同时，有效地提升商用车悬架综合动力学性能，协调满足汽车平顺性、冲击振动、操纵稳定性及行驶安全性对悬架阻尼动力学特性的要求。

为了说明悬架动力学协同优化是通过对比优化前后目标商用车协同优化的优化目标函数，本实施例基于图7的时域信号频域特征分别算的优化目标前后的对比数据，参照表3，目标商用车的平顺性较之优化前有较大的提升，结果如下表所示：

表3：优化前后的优化目标测试对比表。

再进一步的是，为了对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择以传统多目标优化方法与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比实验结果，验证本发明方法所具有的真实效果；传统多目标优化方法优化车辆悬架系统考虑并不全面，仅针对于平顺性进行优化，使得悬架协调性能不足，且优化时间较长，输出结果并不精确，为验证本发明方法相对于传统优化方法具有较高的优化效率，本实施例以优化设计变量前后的时域信号为例，分别以40km/h和80km/h为测试条件，针对协同优化目标(悬架动行程、平顺性)应用多目标优化策略对悬架动力学协同优化，对比说明两种方法的优化效率，结果如下表所示：

表4：优化时间对比表。

参照表3，传统的多目标优化方法仅针对于车辆平顺性进行优化，对于悬架动行程的优化考虑并不全面，而本发明方法不仅考虑车辆平顺性还考虑了悬架动行程，从此基础上输出的优化时间数据对比能够看出，本发明方法不仅利用多目标优化策略，还采用了归一化处理策略、程序化处理手段、优化设计变量思想、悬架建模策略，构建了一套提升商用车悬架综合动力学性能及优化效率的优化方法，相对于传统优化方法增加优化工作量的同时还提高了优化效率。

实施例3

参照图8和图9，为本发明的第三个实施例，该实施例不同于前两个实施例的是，提供了一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化系统，包括：

显示模块100，用于显示仿真运动和分析、比较、验证计算结果，其包括主窗口单元101和附属窗口单元102，目标商用车振动模型仿真结果动画以及参数在主窗口单元101界面进行显示。

总控模块200与显示模块100相连接，用于调配参数，设定协同优化目标、协同设计变量及协同优化约束条件，控制仿真程序运行，并将运行结果实时通过输入输出管理模块300传输至显示模块100的界面中进行显示。

输入输出管理模块300，用于传输数据流及参数信息，管理系统内部运行参数和数据，分别存储协同优化前及优化后的数据，当查询时，则能快速准确地输出查询信息，便于分析研究。

优化处理模块400，用于计算处理悬架动力学协同优化，创建种群、计算目标函数、进行归一化处理，通过输入输出管理模块300输出优化结果；优化处理模块400是用来研究工程问题的最优化解的通用接口，例如，通过优化设计达到最小能量损耗或获得最大输出，任何模型的输入(如几何尺寸、部件形状、材料属性、材料分布)都能作为设计变量，而任何模型输出都能作为目标函数。

进一步的，本系统还包括其包含：

DPU，用于执行系统逻辑、运算并发出指令；

I/O模件，用于收集现场一次设备、元件的参数，硬件线实现，分模拟量和开关量；

数字交换机，用于联系上位机和下位机的枢纽。

具体的，优化处理模块400对于经典优化问题(一般不涉及任何多物理模型)，在空白模型中添加稳态研究和优化研究(建立目标函数、控制变量、上下限和约束)，并在全局定义下定义参数和助变量；对于多物理场优化分析，需建立正演模型(几何、物理场)，在全局定义下定义参数或在优化接口下添加控制变量，优化处理设计变量。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文步骤的指令或程序时，本文的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，其特征在于：包括，

分别建立目标商用车振动模型、悬架组件非线性模型；

依次设定协同优化目标、协同设计变量及协同优化约束条件；

编写、调用多目标算法程序并关联所述优化目标、所述设计变量及所述约束条件；

驱动所述目标商用车振动模型仿真计算得到平顺性及悬架动行程的数值指标，获得多组满足所述约束条件的可行解并加以比较；

选择同时满足所述平顺性和所述悬架动行程性能指标的最优解作为优化结果；

利用所述优化结果完成所述协同优化。

2.如权利要求1所述的阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，其特征在于：建立所述目标商用车振动模型包括，推导振动模型微分方程、构建振动仿真路面及振动计算模型；

建立所述悬架组件非线性模型包括，构建悬架减振器动力学非线性模型、构建驾驶室后悬阻尼力计算模型。

3.如权利要求1或2所述的阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，其特征在于：所述振动模型微分方程利用牛顿第二定律进行推导，包括，

利用实车结构构建所述目标商用车振动模型；

基于所述牛顿第二定律建立目标商用车各质量体振动微分方程，包括，座椅垂直振动微分方程、驾驶室垂直及俯仰振动微分方程、二类底盘状态簧垂直及俯仰振动微分方程、前悬架垂直振动微分方程、平衡悬架垂直及俯仰振动微分方程、挂车簧载质量垂直及俯仰振动微分方程、挂车悬架垂直振动微分方程。

4.如权利要求2所述的阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，其特征在于：构建所述振动仿真路面包括，激发瞬态响应的冲击路面和激发稳态响应的随机路面，对商用车振动系统提供位移激励；

其中，所述冲击路面包括，纵向截面为梯形、半圆形及正弦状的凸起，所述随机路面包括，利用滤波白噪声构建，如下：

构建所述振动计算模型包括，利用所述振动微分方程及所述振动仿真路面，结合MATLAB/Simulink软件进行组合。

5.如权利要求1或2所述的阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，其特征在于：构建所述悬架减振器动力学非线性模型包括，

利用所述目标商用车底盘悬架减振器及驾驶室悬置减振器的非线性动力学关系，获得所述目标商用车减振器阻尼力与其拉伸、压缩速度间存在强非线性关系，利用下式进行拟合:

F＝λ[1+η·sgn(v)]|v|ⁿ

其中，F：减振器阻尼力，v：减振器的压缩或拉伸速度，λ、η、n为拟合系数；

构建所述驾驶室后悬阻尼力计算模型，包括，所述驾驶室后悬存在安装角度，基于准确计算目标商用车平顺性，在所述振动模型中考虑所述减振器安装角度的影响，所述驾驶室后悬阻尼力如下：

其中，F_r：驾驶室后悬阻尼力，v_r：驾驶室后悬减振器拉伸或压缩速度，α：驾驶室后悬减振器安装角度；

所述阻尼力计算模型替换所述目标商用车振动微分方程中与其对应的所述阻尼力，建立阻尼非线性的商用车悬架动力学计算模型。

6.如权利要求1所述的阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，其特征在于：设定所述协同优化目标包括，

座椅导轨平顺性、底盘悬架动行程、驾驶室悬置动行程；

将所述座椅导轨平顺性、所述底盘悬架动行程及所述驾驶室悬置动行程作为优化子目标，则所述协同优化目标如下：

min F(X)＝f₁(X)，f₂(X)，f₃(X)

其中，f₁(X)：所述座椅导轨平顺性的优化目标，f₂(X)：所述底盘悬架动行程的优化目标，f₃(X)：所述驾驶室悬置动行程的优化目标。

7.如权利要求1所述的阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，其特征在于：设定所述协同设计变量包括，底盘前悬刚度、平衡悬架刚度、驾驶室前悬刚度、驾驶室后悬刚度、驾驶室后悬安装角度及非线性阻尼力拟合系数，所述协同设计变量如下：

8.如权利要求1所述的阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，其特征在于：悬架参数同时影响所述平顺性、部分其他矛盾的车辆性能及其他悬架指标，为了避免所述平顺性优化造成其他性能或指标过度恶化，需对其进行约束计算，则设定所述协同优化约束条件包括，

车轮动载荷：

底盘悬架静挠度：

底盘悬架偏频：

9.如权利要求1或6～8任一所述的阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化方法，其特征在于：所述悬架动力学协同优化包括，

利用所述MATLAB应用环境将所述协同优化目标、所述协同设计变量及所述协同优化约束条件程序化；

编写、调用所述多目标算法程序并关联程序化后的所述优化目标、所述设计变量及所述约束条件；

利用所述多目标优化策略将设计空间产生的设计变量赋值到所述目标商用车振动计算模型中；

驱动所述振动计算模型进行仿真计算得到所述平顺性及所述悬架动行程的数值指标，获得多组满足所述约束条件的可行解并加以比较，求得前沿解；

重复多次计算，得到可行解空间及Pareto前沿解集；

提取所述解集中多组具有不同悬架动力学性能的最优解，并选择其中所述平顺性与所述悬架动行程同时具有的最优解作为优化结果；

将所述优化结果输入所述振动计算模型并进行仿真计算，输出优化后的所述优化目标数值，完成所述协同优化。

10.一种阻尼非线性商用车悬架动力学的协同优化系统，其特征在于：包括，

显示模块(100)，用于显示仿真运动和分析、比较、验证所述计算结果，其包括主窗口单元(101)和附属窗口单元(102)，所述目标商用车振动模型仿真结果动画以及参数在所述主窗口单元(101)界面进行显示；

总控模块(200)与所述显示模块(100)相连接，用于调配参数，设定所述协同优化目标、所述协同设计变量及所述协同优化约束条件，控制仿真程序运行，并将运行结果实时通过输入输出管理模块(300)传输至所述显示模块(100)的界面中进行显示；

所述输入输出管理模块(300)，用于传输数据流及参数信息，管理系统内部运行参数和数据，分别存储协同优化前及优化后的数据，当查询时，则能快速准确地输出查询信息，便于分析研究；

优化处理模块(400)，用于计算处理所述悬架动力学协同优化，创建种群、计算目标函数、进行归一化处理，通过所述输入输出管理模块(300)输出优化结果。

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