重载汽车动力学性能与多目标优化研究

摘要

随着我国国民经济的快速发展，对道路交通运输能力的需求日益增大，道路修筑技术及路面平整度得到了提高，载货汽车的性能也相应提高，汽车行驶平顺性、操纵稳定性与道路友好性的关系问题早就得到国内外研究人员的极大关注，但多数研究为平顺性或操纵稳定性的动力学性能研究或将其中之一与道路友好性相结合的研究。随着公路的高速化、重载化，以提高重载汽车整体性能、减少道路损伤维护费用为目的，将整车性能与道路友好性相结合的研究是一个值得探讨的重要课题，在公路运输与汽车产业都具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文针对重载汽车动力学性能，在随机路面激励作用下，通过理论建模、数值仿真与分析、试验验证的技术路线，研究分析重载汽车的平顺性、操纵稳定性、道路友好性的共同影响因素和影响规律，以实现对重载汽车动力学性能的综合优化，得出最佳的设计参数匹配方案。
　　主要研究工作总结如下:
　　(1)基于多体系统动力学理论，建立三轴重载汽车的半车模型和整车模型;通过对多体系统动力学Adams/Car软件二次开发，构建三轴重载汽车的六激振头整车装配试验台和整车虚拟仿真模型。通过对三种模型进行动力学分析对比，给出汽车在平坦路面行驶时，半车模型的动力学性能适用于整车模型的研究，以及虚拟仿真模型性能接近于半车模型的结论，并对半车模型振动特性进行模态分析。
　　(2)建立三轴重载汽车的三点虚拟激励模型。通过对汽车响应相关影响因素的功率谱密度的仿真分析、驾驶室座椅垂向加速度均方根值的影响因素分析及加权95百分位四次幂合力的影响因素分析，得出汽车平顺性和道路友好性的共同影响因素和影响规律。
　　(3)进行平顺性仿真实验，分析在不同车速和载重量下对重载汽车不同部位的加速度响应功率谱密度，通过比较仿真结果与实验结果，计算两种结果的误差拟合优度和平顺性模型精度验证，给出该模型是合理的和精确的结论。
　　(4)构建汽车匀速转弯时侧倾稳定性模型，探讨稳态响应的评价指标稳定性因数的影响因素;根据汽车转弯行驶时离心力导致的车轮垂直载荷的重新分配和路面随机激励产生的动载荷，得到改进的稳定性因数。分析悬架参数在汽车侧倾运动中对稳态响应和道路友好性的影响，推导建立汽车侧倾时轮胎动载荷与道路友好性的定量关系。
　　(5)提出对重载汽车平顺性、稳定性与道路友好性进行综合优化的思路和方法。以平顺性、稳定性、道路友好性的评价指标作为优化目标，前、后悬架的刚度和阻尼作为变量参数，建立集成ADAMS/car模块和Matlab模块的重载汽车优化模型，在约束条件范围内给出设计变量值，基于改善精英策略的NSGA-Ⅱ改进型优化方法，对重载汽车的平顺性、操纵稳定性和道路友好性进行综合优化和分析，得到设计变量的Pareto最优解和优化目标函数的Pareto前沿，实现重载汽车动力学性能的多目标优化，并对优化结果进行试验验证和分析。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 汽车多体系统动力学研究现状

1．2．2车一路耦合作用研究现状

1．2．3 车辆性能参数优化研究现状

1．3 本论文的技术路线及主要研究内容

1．3．1 技术路线

1．3．2研究内容

2重载汽车动力学模型

2．1动力学建模分析

2．1．1 质量集中

2．1．2悬架与轮胎动力学性能约定

2．1．3 动力学方程的理论基础

2．1．4动力学模型精度分析

2．2重载汽车动力学半车模型

2．3重载汽车动力学整车模型

2．4重载汽车虚拟仿真模型建立

2．4．1 前悬架转向子系统模型建立

2．4．2平衡悬架子系统模型建立

2．4．3仿真试验台子系统模型建立

2．4．4重载汽车动力学虚拟仿真模型建立

2．5路面模型的建立

2．6重载汽车动力学模型对比分析

2．7重载汽车动力学模型模态特性分析

2．8本章小结

3 重载汽车平顺性和道路友好性研究

3．1道路友好性评价指标

3．2基于虚拟激励法的道路友好性与平顺性仿真分析

3．2．1 虚拟激励法的基本理论

3．2．2三点虚拟激励模型建立

3．2．3重载汽车频率响应函数

3．2．4平顺性评价指标

3．2．5重载汽车频域响应分析

3．2．6 重载汽车平顺性影响因素综合仿真分析

3．2．7重载汽车平顺性和道路友好性综合分析

3．3 本章小结

4重载汽车平顺性实验研究

4．1 平顺性实验条件及设备

4．1．1 实验条件

4．1．2实验设备

4．3实验数据处理

4．3．1 数据处理软件介绍

4．3．2数据处理过程

4．4实验数据分析

4．4．1 空载工况

4．4．2 满载工况

4．5重载汽车平顺性实验结果与仿真结果对比

4．5．1 车身垂向加速度PSD实验结果与仿真结果对比

4．5．2座椅垂向加速度PSD实验结果与仿真结果对比

4．5．3车身垂向加速度PSD与车速关系的实验结果与仿真结果对比

4．5．4座椅垂向加速度PSD与车速关系的实验结果与仿真结果对比

4．5．5车身和座椅垂向加速度PSD与载重关系的结果对比

4．6平顺性仿真模型精度验证

4．7 本章小结

5 重载汽车操纵稳定性和道路友好性研究

5．1操纵稳定性

5．1．1 操纵稳定性与轮胎侧偏特性的关系

5．1．2操纵稳定性与悬架侧倾特性的关系

5．2轮胎载荷的重新分配对操纵稳定性的影响

5．3 悬架参数对稳态横摆角速度增益的影响

5．4道路友好性与轮胎载荷的定量关系

5．5本章小结

6重载汽车动力学性能多目标优化

6．1 多目标优化方法简介

6．1．1 多目标优化的数学模型

6．1．2多目标优化的Pareto解集及Pareto最优解的判断方法

6．1．3 多目标优化方案

6．1．4基于第二代非支配排序遗传算法的改进型优化策略

6．1．5 Isight软件简介

6．2 重载汽车性能多目标优化

6．2．1 目标函数

6．2．2设计变量的选定

6．2．3 约束条件

6．2．4优化平台

6．2．5 多目标优化结果及分析

6．3优化结果仿真分析

6．4．1平顺性实验测试与分析

6．4．2侧倾稳定性实验测试与分析

6．4．3道路友好性实验数据分析

7．1 全文总结

7．2主要创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历

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