基于多软件联合仿真的载货汽车平顺性提升方法研究

陈浩东， 刘夫云， 邓聚才

(1.桂林电子科技大学 机电工程学院，桂林 541004；2.东风柳州汽车有限公司 商用车技术中心，柳州 545005)

近年来，随着虚拟样机技术的发展，国内外很多学者对载货汽车平顺性能的研究采用ADAMS/MATLAB联合仿真的方法进行了探讨，并取得了一定的成果，但不足之处在于未充分发挥对整车刚柔耦合动力学方面进行建模，而且，大多数都以简化的物理模型搭建数学模型作为理论研究方法，例如，搭建7自由度、14自由度等数学模型进行研究，由于模型部件简化、参数不足、自由度较少，必然引起很大的计算误差，很难保证优化所得的结果满足于实车[1-3].另外，很多学者采用实验设计DOE(Design of Experiments)的方法，将整车参数(如衬套、轮胎、前中后车桥，质量、刚度、阻尼等)集成到Isight中，采用对整车参数进行灵敏度分析，以此筛选出对整车平顺性影响较大的参数[4]，并将筛选后的参数运用Isight与ADAMS/Car集成的方法进行仿真优化，最后将优化后的参数代入整车模型进行重新计算仿真，以此提升汽车平顺性.然而，整个筛选过程将耗费大量的时间，计算效率低.由于ADAMS具有动力学计算方面的优势、Simulink具有易搭建数学模块和易控制参数的优势、Isight具有易集成优化软件和自带有很多类型算法的优势.因此，提出运用ADAMS建立符合实际车辆模型、更多自由度(驾驶室总成72自由度)的基础上，将三者优势结合在一起，借鉴国内外学者采用ADAMS/Car和Simulink联合仿真的方法，实现机械系统与控制系统的一体化仿真反馈，并在MATLAB中开发优化目标程序，使用Isight自带多岛遗传算法集成Simulink整车动力学模型，对每次的优化结果进行计算，从而提升汽车平顺性能.

1 载货汽车虚拟样机模型的建立

1.1 建立载货汽车模型

动态运动中的载货汽车是复杂的多自由度(1 368自由度)的刚柔耦合机械系统.首先，按照ADAMS/Car建模思路,将该载货汽车划分为驾驶室总成、柔性车架、动力与传动系统、轮胎以及挂车等各子系统模型.然后，结合企业提供的数据以及借助相关试验设备,获得整车所需的各零部件的基本参数，利用ADAMS/Car建立相对应的模板文件、子系统模型.最后，在该软件中，按照模板、子系统、组成整车装配体，完成载货汽车整车模型[5-6].

由于驾驶室是驾驶员操作车辆和搭载乘客的载体，其悬置系统是用来支撑驾驶室和链接车架主体的装置，也是影响载货汽车行驶平顺性最为直接、最为明显的系统[7]，其主要参数如表1所示.

表1 驾驶室总成主要参数

其中，前悬置结构主要包括有稳定杆、螺旋弹簧、液压减振器等部件；稳定杆用于保持驾驶室的侧倾运动平稳，避免驾驶室产生较大的侧倾角；螺旋弹簧起到隔振的作用，衰减振动信号的传递；减振器起到阻尼作用；后悬置是由弹簧、液压减振器以及拉杆等部件组成；其中，减振器起到导向与减振的作用，可根据不同的路况条件调节其阻尼.载货汽车驾驶室前后悬置模型如图1和图2所示.

图1 驾驶室前悬置模型

图2 驾驶室后悬置模型

1.2 随机工况的建模与仿真

通常，随机路面具有一定的随机性、平稳性以及各态经历等特性，其路面的不平度采用随机高程来描述.根据GB7031与“路面不平度表示方法草案”标准中按照谐波叠加法建立随机路面，利用MATLAB编写路面程序，计算在一定条件下的路面随机高程位移，建立随机路面模型的生成器，经过随机路面模型的生成器建立ADAMS软件能够直接读取的路面文件[8].将载货汽车行驶在随机路面下进行仿真，如图3所示.

图3 随机路面工况下仿真

2 ADAMS/Car与Simulink联合仿真模型的建立

2.1 对载货汽车虚拟样机进行参数分析

为了便于修改驾驶室前后悬置的刚度和阻尼参数，搭建ADAMS/Car和MATLAB/Simulink联合仿真模型就是一种非常有效的方法.关键就是要实现ADAMS/Car软件中的Controls模块和MATLAB/Simulink接口进行状态变量参数输入与输出.因此，就需要对ADAMS/Car建立好的载货汽车虚拟仿真样机进行参数分析，其参数主要分为两类:输入变量参数和输出变量参数.经过分析，需设置输入与输出状态变量，其中，8个输入状态变量，20个输出状态变量.输入状态变量有：驾驶室前后悬置减振器阻尼力和弹簧力.输出状态变量有：驾驶室座椅各项加速度、前后悬置中的减振器、弹簧的相对位移等.

2.2 构建MATLAB/Simulink控制系统

为了建立ADAMS/Car与Simulink的联合仿真模型，使控制模型与车辆模型联合的工作得到极大简化，首先，运用ADAMS/Car对整车模型进行仿真，生成联合仿真模型所需的“.m”文件；然后，运行此文件，在MATLAB命令栏中输入“ADAMS_sys”命令,生成“ADAMS_Sub”模块；最后，在Sinmulink中构建载货汽车整车控制模型，“driver_seat_acc_x”、“driver_seat_acc_y”、“driver_seat_acc_z”分别代指驾驶室座椅处X、Y、Z三个方向的加速度，如图4所示.通过对比载货汽车在ADAMS/Car稳态后的仿真结果与联合仿真后的Sinmulink稳态仿真结果得知，结果几乎吻合，可以用于下一步的研究.

图4 载货汽车联合仿真Sinmulink模型

3 载货汽车平顺性的优化设计

3.1 基于Isight集成ADAMS与MATLAB联合仿真模型的研究思路

由于驾驶员操作载货汽车多用来运输货物，使其绝大多数时间行驶在水泥、沥青等随机路面上，这就需要着重提升在此路面下的平顺性能.因此，让其以60 km/h车速行驶在随机C级路面下为例，对行驶平顺性能进行研究.

以前面已经搭建好的ADAMS/Car与Simulink载货汽车联合仿真模型为基础，在MATLAB里编写程序来获得座椅处各轴向振动加速度RMS与综合加速度RMS值.利用Isight中的Optimization优化模块，将此程序导入Isight软件中，采用多岛遗传算法优化该整车联合仿真模型，如图5所示，并计算每次的优化结果，找到影响平顺性因素的减振器阻尼参数和弹簧刚度参数的最佳匹配[9].

图5 Isight集成Simulink模型

3.2 优化变量的选取

根据汽车悬架系统的作用机理得知，针对载货汽车平顺性的提升，通过调整载货汽车驾驶室悬置系统中的减振器阻尼及弹簧刚度参数最为直接有效[10].由于在载货汽车动力学建模时，参照企业实车及实验数据，驾驶室悬置元件采用左右对称布置、前后悬置的左右两边悬置结构刚度阻尼参数相同，因此，文中选取此4个变量作为设计优化变量，即式(1)所示.

X=[kf,kr,cf,cr]，

(1)

式中：kf、kr为驾驶室前后悬置弹簧刚度系数；cf、cr为驾驶室前后悬置减振器阻尼系数.

在保证模型计算精度情况下，设计变量的取值应合理，否则会降低优化模型计算精度，严重时会导致车辆仿真失败.在满足车辆的仿真精度和仿真可行性前提下，将驾驶室前后悬置中的减振器阻尼参数系数和弹簧刚度参数系数的取值范围设定为上下浮动25%，为了便于优化过程中数据计算和处理，将以上4个优化变量设定为初始值为1的比例系数，取值范围均为0.75～1.25.

3.3 目标函数的确定

优化的目的是通过调整驾驶室前后悬置系统刚度、阻尼参数，以有效改善整车的行驶平顺性.以驾驶室座椅处的RMS来评价整车平顺性的优劣情况，选取对整车平顺性影响较大的前后悬置系统的性能刚度、阻尼参数进行优化设计，并以60 km/h的车速行驶在同样随机路面条件下，对比优化前后的驾驶室座椅处的加速度RMS值的大小作为评价标准，即以加速度RMS_W(综合加权加速度均方根值)最小值作为优化目标[5]，即式(2)所示.

min={RMS_W}.

(2)

3.4 约束条件的选取

根据载货汽车模型中驾驶室前后悬置左右对称性，提出将刚度、阻尼分别乘以一个比例因子来调整其大小.同时，悬置的动挠度会影响汽车安全性和增加撞击限位的几率，进而影响汽车平顺性能和舒适性能.使车辆以60 km/h行驶在C级路面时，其前后悬置中的动行程不能超过上下限位块位置，否则会导致车辆损坏[11].故，文中将驾驶室前悬置动挠度设计为小于等于30 mm，后悬置动挠度小于等于41 mm.其数学模型可表述为式(3)所示.

(3)

3.5 优化结果

利用Isight/Optimization中的多岛遗传算法，经过240次迭代，得到第236组优化目标的最优解，即优化后减振器阻尼、弹簧刚度最优比例系数和综合加速度RMS_W最小值，如表2所示.

表2 Isight主要优化解

以载货汽车车速60 km/h行驶在C级路面为例，对比驾驶室座椅导轨处X向、Y向、Z向的加速度功率谱密度的仿真前后优化结果，对比结果如图6、图7、图8所示.

图6 X向加速度功率谱密度曲线对比

图7 Y向加速度功率谱密度曲线对比

图8 Z向加速度功率谱密度曲线对比

由图6、7、8功率谱密度峰值对比计算得知，优化后的X向最大频率降低了27.66%，Y向最大值降低了20.00%，Z向最大降低了20.18%.结果表明，采用提出的优化方法对平顺性能的提升起到了良好的效果，也间接的验证了搭建载货汽车联合仿真控制模型的准确性.

为了近一步的对比载货汽车在其他工况下的平顺性能，将载货汽车模型分别以50～90 km/h的速度在随机路面工况下进行平顺性仿真，得到加速度RMS，如表3所示.

表3 座椅处RMS仿真前后对比 m/s2

通过对比表4可知，优化后的载货汽车驾驶室座椅3个方向RMS振动响应均降低，X向、Y向、Z向和综合加速度RMS最大降幅分别为12.84%、4.28%、13.08%和11.46%.由此表明，通过Isight平台中的多岛遗传算法优化ADAMS/Car与Simulink联合仿真后的整车模型，得到驾驶室悬置系统中的刚度、阻尼参数的最优匹配，表明了载货汽车的平顺性得到了一定的提升，进一步验证所提出新优化方法的可行性.

4 结 论

以某型号载货汽车为研究对象，采用了基于Isight集成搭建的整车联合仿真模型及优化方法，对该车平顺性能起到了一定程度的提升.之后，将进一步以Simulink搭建好的载货汽车联合仿真模型作为基础，运用Isight中的其他算法，如粒子群算法，完善设计变量、更改约束条件、将各向线振动、俯仰振动、侧倾振动和综合加速度RMS作为优化目标，继续编写相应MATLAB程序，以便更好的解决该型号载货汽车行驶在其他路面下的平顺性问题.