基于模糊匹配的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價模型

鳳貝貝

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著汽車保有量的持續(xù)增加，汽車機(jī)械零部件出現(xiàn)了大量的強(qiáng)度性能問題，汽車零部件強(qiáng)度性能的好壞會直接影響汽車的整體質(zhì)量[1-2]，對汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度進(jìn)行評價就顯得十分重要.

汽車零部件強(qiáng)度評價的范圍十分廣泛，幾乎涵蓋整輛汽車的各個部件，汽車零部件質(zhì)量好壞會對汽車質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響.在汽車產(chǎn)品開發(fā)的過程中，材料及工藝必須要進(jìn)行零件部性能分析和實(shí)驗(yàn)，以有效確保產(chǎn)品的質(zhì)量.雖然在整個實(shí)驗(yàn)過程中，能夠考察汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度，但是針對絕大部分的零部件而言，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試需要耗費(fèi)大量的人力及物力[3]，所以需要針對汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度進(jìn)行專門的評價.由于各個零部件的功能、結(jié)構(gòu)及工況完全不同、分析以及實(shí)驗(yàn)的多樣性，現(xiàn)階段仍然缺少一種有效的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價流程.為了解決上述問題，結(jié)合模糊匹配計(jì)算，提出一種基于模糊匹配的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價模型.

1 基于模糊匹配的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價模型

1.1 汽車機(jī)械零件共同工作點(diǎn)計(jì)算

在汽車研發(fā)的過程中，零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞耐久性是設(shè)計(jì)的重中之重.進(jìn)行零部件強(qiáng)度分析的過程中，需要明確載荷，即使小的載荷也會造成分析結(jié)果存在較大差異，所以載荷是否合理是分析正確性的關(guān)鍵.

針對靜載荷的提取，首先需要考慮用戶是怎么使用汽車的、包含哪些工況信息以及各種工況的大致比例等；其次考慮哪些用戶使用的程度猛烈或者哪些用戶使用的輕柔等[4].

在汽車產(chǎn)品的研制過程中需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)測試及分析.汽車零部件強(qiáng)度分析可以劃分為兩種不同的形式，分別為零部件級和系統(tǒng)級.

將零部件從子系統(tǒng)分離出來，分別針對汽車中的各個部件強(qiáng)度進(jìn)行分析，設(shè)定汽車子系統(tǒng)為研究對象，全面考慮各個子系統(tǒng)中組成部件的相關(guān)運(yùn)動影響關(guān)系，采用零部件分析方法對汽車零部件強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，促使整個方法的計(jì)算速度大幅度提升，操作流程更加規(guī)范化.

在汽車開發(fā)初期，需要明確不同零部件的位置以及參數(shù)信息，該階段需要對零部件進(jìn)行強(qiáng)度分析[5-6]，同時針對強(qiáng)度分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn).

汽車零部件強(qiáng)度分析方法主要存在以下兩方面的優(yōu)勢.

(1)汽車零部件分析花費(fèi)時間較短，同時建模及計(jì)算時間較短，且不需要高性能計(jì)算對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，也不需要連接其它零部件的參數(shù)，非常適用于反復(fù)驗(yàn)證的情況；

(2)零部件級別能夠充分利用多體動力學(xué)模型進(jìn)行載荷提取，利用有限元分析將載荷直接加載在零部件上，以有效提升不同工況的運(yùn)行速度.

汽車機(jī)械零部件是車輛重要組成部件，它的性能會直接影響汽車的綜合性能，尤其是車輛的動力性及燃料經(jīng)濟(jì)性.

其中汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度是通過泵輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速關(guān)系確定[7].汽車性能主要是通過液力變矩器的外特性曲線表示.汽車零部件的外特性是在泵輪轉(zhuǎn)速不變的基礎(chǔ)上，獲取對應(yīng)泵輪矩陣.

通過汽車零部件的相似原理，針對于幾何相似、運(yùn)動相似以及動力相似等一系列的變矩器，主要存在以下的關(guān)系：

(1)

滑差率為：

(2)

式中，λT代表變矩器閉鎖滑差率，TT代表倒輪轉(zhuǎn)矩.其中汽車零部件的變矩比K為渦輪輸出矩陣以及泵輪輸出矩陣之比，即：

(3)

由于公式(3)中λT、λB均為i的函數(shù)，當(dāng)i的取值不同時，能夠求解K的不同取值[8-9]，所以變矩比的取值K即為i的函數(shù).其中，K=g(i)代表幾何相似液力變矩器的一個重要特性.

汽車零部件中變矩器效率等于渦輪輸出功率和泵輪輸入功率之比，即：

(4)

式中，nT代表渦輪轉(zhuǎn)速.

汽車機(jī)械零部件中液力變矩器受到的外力可表示為：

F=uiπ(r2-r1).

(5)

式中，ui代表等效側(cè)腔壓力值，r代表液力變矩器旋轉(zhuǎn)半徑值.

結(jié)合以上分析可知，組建汽車機(jī)械零部件性能特性的數(shù)學(xué)模型，其中最主要的步驟是確定對應(yīng)特性的表達(dá)式.

由于不同機(jī)械部件的液力變矩器的應(yīng)用條件不同，對其性能的要求也存在一定的差異性，液力變矩器的形式是多種多樣的，以下分別針對不同的性能特性進(jìn)行分析：

(1)通過單擊單項(xiàng)式液力變矩器的初始特征，能夠獲取以下的數(shù)學(xué)模型：

(6)

(7)

上式中，Aj表示泵輪轉(zhuǎn)速，ij表示泵輪轉(zhuǎn)速對應(yīng)用的關(guān)系曲線，Bk表示液力變矩器效率，ik表示法輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線.

(2)當(dāng)i>iM時，通過最小二乘法進(jìn)行曲線擬合[10]，獲取如公式(8)所示的數(shù)學(xué)模型，即：

(8)

(3)設(shè)定λB=f(i)和K=g(i)均呈高次曲線形態(tài)，通過最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，得到綜合式液力變矩器初始特征的數(shù)學(xué)模型，如公式(9)所示：

(9)

在上述分析的基礎(chǔ)上，通過分析汽車機(jī)械零部件工作過程中的輸入特性，確保各個汽車機(jī)械零件共同工作點(diǎn)的計(jì)算方法，即：

(10)

1.2 模型建立

汽車設(shè)計(jì)中動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)化問題是多目標(biāo)優(yōu)化問題.在多目標(biāo)優(yōu)化問題中，由于兩個目標(biāo)之間相互矛盾，所以很難獲取單一目標(biāo)的最優(yōu)解[11-12].在實(shí)際研究的過程中，將汽車的動力特性設(shè)定為約束條件，選取傳動系參數(shù)，優(yōu)化汽車燃料的經(jīng)濟(jì)性，即將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化.

以下通過模糊匹配計(jì)算方法建立汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價模型，具體操作步驟如下所示.

(1)分別求解單一目標(biāo)的約束最優(yōu)解，在考慮汽車參數(shù)設(shè)計(jì)的取值范圍內(nèi)，組建汽車動力特性優(yōu)化匹配的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(11)

上式中，X表示優(yōu)化匹配流圖，(Xi)T表示工作油密度，gk(X)表示變矩器的有效直徑.

(2)模糊化最優(yōu)解主要是將目標(biāo)函數(shù)在單一目標(biāo)最優(yōu)解時值轉(zhuǎn)換到[0,1]區(qū)間內(nèi)[13]，通過隸屬函數(shù)給出對應(yīng)的模糊集合.

其中，模糊化最優(yōu)解及對應(yīng)的隸屬函數(shù)能夠表示為以下的形式：

(12)

(3)得到不同單目標(biāo)的模糊優(yōu)化解Nj(X)后，進(jìn)一步獲取模糊優(yōu)越解，它對應(yīng)的隸屬函數(shù)能夠表示為以下的形式：

N(X)=N1(X)∧N2(X)…∧Nj(X).

(13)

上式中，N(X)代表模糊優(yōu)越解；N1(X)∧N2(X)…∧Nj(X)表不同的階數(shù).

針對輔助檔位數(shù)為n的汽車液力自動變速器而言，設(shè)定優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)變量為：

X=[x1,x2,...,xn]T.

(14)

式中，x1,x2...xn代表匹配變量對象，T代表轉(zhuǎn)置符號.

為了有效優(yōu)化不同目標(biāo)匹配函數(shù)值，需要設(shè)定汽車性能指標(biāo)在允許設(shè)計(jì)空間的最大值及最小值.

汽車的正常駕駛情況能夠通過多工況的試驗(yàn)示范進(jìn)行模擬，為了更加接近真實(shí)值[14]，通過多工況平均百里油耗設(shè)定為參與優(yōu)化匹配的目標(biāo)函數(shù).以下重點(diǎn)針對傳動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化匹配，具體計(jì)算式為：

minF(X)=minQ.

(15)

汽車在行駛的過程中所包含的動力性主要是由最高車速、加速性能以及爬坡性能三個方面進(jìn)行綜合評價.在選擇轉(zhuǎn)動系統(tǒng)參數(shù)時，需要滿足汽車動力需求，對應(yīng)的直接檔力因數(shù)：

在正常情況下，汽車的上坡以及加速能力可以表示為：

(16)

其中，I檔動力因素能夠最大程度反映汽車的爬坡能力[15]，具體的計(jì)算式為：

(17)

在上述分析的基礎(chǔ)上，對約束條件進(jìn)行模糊描述，同時進(jìn)行模糊匹配計(jì)算，對汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果建立汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價模型，以此實(shí)現(xiàn)汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價：

Wi=∑Sj·Qij.

(18)

上式中，Wi表示評價結(jié)果，Sj表示隨機(jī)誤差，Qij表示有效燃油消耗率.

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提基于模糊匹配的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價模型的綜合有效性，在Intel core i52.8 GHz CPU、8 G內(nèi)存，系統(tǒng)為Windows10，MATLAB 2014Ra下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測試.

實(shí)驗(yàn)選取文獻(xiàn)[4]模型和文獻(xiàn)[5]模型作為對比對象，將汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價精確度進(jìn)行為評價指標(biāo)，具體的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如表1～表3所列.

分析表1～表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的持續(xù)增加，本文模型的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價精確度最高；文獻(xiàn)[4]模型的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價精確度次之；文獻(xiàn)[5]模型的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價精確度最低.

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證所提模型的有效性，以下實(shí)驗(yàn)測試對比3種不同評價模型的評價耗時，具體的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如圖1所示.

分析圖1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相比另外兩種模型，所提模型的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價耗時明顯更高一些.

表1 所提模型的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價精確度變化情況

表2 文獻(xiàn)[4]模型的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價精確度變化情況

表3 文獻(xiàn)[5]模型的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價精確度變化情況

(a)所提模型的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價耗時變化情況

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)模型存在的一系列問題，結(jié)合模糊匹配，設(shè)計(jì)并構(gòu)建一種基于模糊匹配的汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價模型.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提模型能夠有效提升汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價精確度，降低汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度評價耗時.