張小珍, 沈嶸楓, 周成軍, 周新年, 林　曙, 吳傳宇

(福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

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基于MotionView的前懸架試驗與優(yōu)化分析

張小珍, 沈嶸楓, 周成軍, 周新年, 林曙, 吳傳宇

(福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

利用Altair公司所提供的MotionView/HyperStudy模塊，快速、方便地調(diào)用前懸架模型，并對其進行分析.通過前懸架的試驗設計，得到因子與響應之間的主效應和交互作用，研究內(nèi)外拉桿球鉸原有坐標變化對懸架性能的影響.懸架經(jīng)DOE分析后直接進行優(yōu)化，優(yōu)化前懸架模型的鉸鏈點得到最佳前束曲線.對優(yōu)化前后前懸架前束角曲線進行了對比分析，結(jié)果表明得到的優(yōu)化后懸架的前束角曲線與目標曲線更接近.

前懸架; HyperStudy軟件; DOE分析; 優(yōu)化分析; 平順性

目前，我國汽車制造業(yè)得到了迅速發(fā)展，汽車的平順性和操縱的穩(wěn)定性也得到了提高.車輛懸架技術是現(xiàn)代汽車的關鍵技術之一，它對汽車行駛的平順性、操縱穩(wěn)定性有著很重大的影響[1-3].對于懸架性能優(yōu)化的研究已有不少報道.倪彰等[4]提出的電動汽車懸架系統(tǒng)，是以機械動力學軟件ADAMS為研究平臺，構(gòu)建懸架的模型并進行仿真分析，目的是提高電動汽車行駛的平順性.喬長勝等[5]通過CATIA建立懸架的模型，使用ADAMS多體動力學軟件設計跳動試驗，得出懸架參數(shù)曲線，并進行性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進.路勇等[6]利用AMESim建立車輛懸架系統(tǒng)的模型，并對該模型進行時域仿真分析，輸出輪胎的彈性形變、垂直速度的響應以及加速度的響應情況，提供了模型優(yōu)化的方法.本研究采用澳汰爾MotionView/HyperStudy多體動力學軟件對懸架進行DOE分析，并對其進行優(yōu)化分析.HyperStudy既含有強大的機構(gòu)模型，可直接調(diào)用；又可以方便地選擇運動機構(gòu)性能約束和目標，對系統(tǒng)進行研究和優(yōu)化設計[7,8].

1　試驗設計

為了發(fā)現(xiàn)一個特定過程或系統(tǒng)的某些特性[9]，設計的過程通常是由1個或一系列的試驗構(gòu)成的.通過改變一個過程或系統(tǒng)特定的輸入變量來分析引起相關輸出變化的內(nèi)在原因.通過DOE試驗設計，分析所關注因素對懸架平順性的影響程度，并找出所有試驗參數(shù)組合中使懸架平順性表現(xiàn)最好的一組參數(shù)組合[10,11].平順性的DOE試驗設計基于平順性脈沖輸入行駛仿真，選擇懸架系統(tǒng)中對整車平順性影響最大的參數(shù)[12]，以前懸架為研究對象進行DOE研究，采用懸架靜態(tài)平順性研究內(nèi)外拉桿球鉸原有坐標變化對懸架性能的影響.

1.1模型建立

圖1　前懸架的模型Fig.1　Model of front suspension

點坐標最小值最大值外拉桿球鉸Y-571.15-559.15外拉桿球鉸Z246.92250.92內(nèi)拉桿球鉸Y-221.90-209.90內(nèi)拉桿球鉸Z274.86278.86

在MotionView軟件中通過Assembly Wizard模塊調(diào)用前懸架的模型，并對模型進行相應修改和加載路況，進行靜態(tài)平順性分析[13].前懸架模型如圖1所示.

1.2DOE分析

在DOE分析中主要是通過對前懸架的平順性的分析來研究拉桿球鉸坐標的變化對懸架性能的影響.以拉桿球鉸的坐標為設計變量.在MotionView界面中直接進入HyperStudy軟件，建立新的Study，有4個變量分別是內(nèi)外拉桿球鉸Y、Z方向的，系統(tǒng)會自動計算出變量的上下限值，修改設計變量的最大、最小限值.X方向上限值加6，下限值減6；Z方向上限值加2，下限值減2(表1).建立的響應為誤差平方和，響應矢量有2個，一個是包含從求解器獲得的初始設置中實際前束角曲線點坐標，另一個包含目標前束角曲線點坐標.

1.3試驗結(jié)果

DOE分析目的是研究確定哪些輸入變量對輸出響應影響最大，可控輸入變量的設置使得輸出響應接近于所希望的額定值，使輸出響應的變化較小等[14].

圖2　主效應圖Fig.2　Main effect diagram

HyperStudy軟件提供了一整套功能完備的分析模塊，通過對數(shù)據(jù)的后處理得到了主效應圖和交互作用圖(圖2、3).對主效應圖進行分析，用戶可更加清晰直觀地了解可控因子與響應之間的關系；當該可控因子位于不同取值水平時，對該響應的影響程度進行研究.交互作用表示評價某一因子在其他因子的取值水平發(fā)生改變時對響應保持同等效應的能力.如果兩折線之間是平行的，表示2個因子之間沒有交互作用，否則具有交互作用(圖2、3).

A.外拉桿球鉸Z軸與Y軸；B.外拉桿球鉸Z軸與內(nèi)拉桿球鉸Y軸；C.外拉桿球鉸Z軸與內(nèi)拉桿球鉸Z軸.

如圖2所示，4種不同顏色分別表示設置的4個變量，每條折線的斜率越大，對該因子響應的影響越大.第2條和第4條折線的斜率較大，對誤差平方和的影響較大，即內(nèi)外拉桿球鉸Z方向變化對懸架性能的影響較大.如圖3所示，任意兩折線不平行，表明可控因子的取值對于該響應值有影響.通過DOE分析可以看出內(nèi)外拉桿球鉸Z方向變化對懸架性能的影響較大，可以通過改變Z方向設計變量的值對試驗進行優(yōu)化設計.

2　優(yōu)化試驗

對前懸架的DOE試驗進行分析后，再對懸架進行優(yōu)化.優(yōu)化前懸架模型的鉸鏈點以得到最佳的前束曲線，建立如下數(shù)學模型：

目標函數(shù)f(x)使系統(tǒng)響應最小化.

設計變量x表示內(nèi)外拉桿球鉸原有坐標的變化.

約束函數(shù)g(x)定義了系統(tǒng)響應的取值范圍.

s.t.gj(x)≤0(j=1,…,m)

采用自適應響應面法進行優(yōu)化.目標函數(shù)和約束函數(shù)按照以下二階多項式進行擬合：

式中，m為約束的個數(shù)；n為設計變量的個數(shù)；αj0、αn、αm為二次多項式系數(shù).

圖4　優(yōu)化迭代的歷程Fig.4　Process of optimizing iteration

車輪前束角可以抵消汽車在縱向力作用下過大的前束變化.合理的前束角有利于保證汽車車輪行駛的直線性，減小輪胎的磨損和降低輪胎的滾動阻力.用HyperStudy進行優(yōu)化，迭代過程如圖4所示，共9次迭代.其中第6次迭代的目標值最小，標識第6次的結(jié)果最優(yōu).并對原有模型和優(yōu)化模型進行對比分析，結(jié)果如圖5所示.

從圖5可以看出，優(yōu)化后的前束角曲線與優(yōu)化前曲線相比有很大變化，優(yōu)化后曲線與目標曲線的吻合較好，保障了汽車操縱的穩(wěn)定性，汽車直線平順性有很大改進，懸架性能得到很大提高.

圖5　優(yōu)化前后前輪前束角曲線的對比

3　小結(jié)

通過多體動力學軟件MotionView調(diào)用工具庫中的懸架模型，對模型加載工況等做出相應的修改.對模型進行DOE研究，對懸架靜態(tài)平順性進行分析，研究內(nèi)外拉桿球鉸原有坐標變化對懸架性能的影響.結(jié)果表明：內(nèi)外拉桿球鉸Z坐標對前懸架的影響較大；通過對懸架進行優(yōu)化，得到最佳前束角曲線，有利于汽車的直線行駛，提高了汽車的穩(wěn)定性和平順性.采用Altair公司提供的MotionView多體力學分析軟件，解決了汽車存在問題的同時很大程度上縮短了研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高研制水平.

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(責任編輯:葉濟蓉)

校園景色：

The analysis of front suspension experiment and optimization based on MotionView

ZHANG Xiaozhen, SHEN Rongfeng, ZHOU Chengjun, ZHOU Xinnian, LIN Shu, WU Chuanyu

(College of Transportation and Civil Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

To optimize front suspension for better ride comfort, MotionView/HyperStudy module provided by Altair was applied to adjust coordinates of internal and external tie rod ball joints of front suspension. Based on the main effect and its interactions with variable parameters, an optimized model of hinge point of the front suspension was proposed. Referring to curves of front and rear beam angle of front suspension, curves from the optimized system coincided with the target curve better.

front suspension; HyperStudy software; DOE analysis; optimization analysis; ride comfort

2015-10-14

2015-12-15

福建農(nóng)林大學教材與實踐研究資助項目(111414044)；國家教育部創(chuàng)新科技計劃資助項目(111ZC5040)；福建農(nóng)林大學林業(yè)智能機械立體化教材資助項目(112515013)；福建農(nóng)林大學交通運輸類實驗教學示范中心資助項目(01SJ10009)；福建農(nóng)林大學高水平大學建設重點資助項目(113-612014018).

張小珍(1991-)，女，碩士研究生.研究方向：機械結(jié)構(gòu)設計.Email：1027470976@qq.com.通訊作者沈嶸楓(1970-)，男，副教授，博士.研究方向：林業(yè)機械設計.Email：fjshenrf@163.com.

U461

A

1671-5470(2016)05-0607-04

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.05.021