本發(fā)明屬于汽車動(dòng)力學(xué)性能仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種汽車動(dòng)力學(xué)仿真分析中操縱穩(wěn)定性和平順性協(xié)同優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，汽車動(dòng)力學(xué)性能是汽車開發(fā)過(guò)程中極其重要的組成部分，其內(nèi)容主要包括操縱穩(wěn)定性、平順性等汽車動(dòng)力學(xué)性能的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)。在以往的汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往通過(guò)樣車的反復(fù)試制、試驗(yàn)及改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)力學(xué)性能的開發(fā)，這一過(guò)程往往周期長(zhǎng)、成本高、效率低，無(wú)法滿足快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的要求。如何在最短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的汽車產(chǎn)品，已成為各大汽車公司一直追求的目標(biāo)?；谟?jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)的虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，使得這一目標(biāo)正在成為現(xiàn)實(shí)。通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，可以在樣車制造之前，對(duì)汽車產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真分析，提前對(duì)汽車的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量、評(píng)價(jià)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到減少開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車各項(xiàng)性能的要求也越來(lái)越高，為了滿足這些要求，就需要對(duì)汽車的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。操縱穩(wěn)定性和平順性是汽車的兩個(gè)基本動(dòng)力學(xué)性能，這兩項(xiàng)性能的研究對(duì)于提高汽車行駛安全性和舒適性具有重要意義。在以往汽車動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，大多只是對(duì)操縱穩(wěn)定性和平順性中某一單項(xiàng)指標(biāo)性能進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，然而它們是相互影響、相互矛盾、密不可分的，因此，有必要提供一種操縱穩(wěn)定性和平順性的協(xié)同優(yōu)化方法，以同時(shí)對(duì)這兩項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和矩陣型權(quán)重分析法運(yùn)用到汽車動(dòng)力學(xué)仿真分析中，通過(guò)對(duì)少量正交仿真試驗(yàn)方案結(jié)果的分析，快速確定試驗(yàn)因素的最優(yōu)水平組合方案及其主次順序，原理簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、可靠性高的汽車動(dòng)力學(xué)仿真分析中操縱穩(wěn)定性和平順性協(xié)同優(yōu)化方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：汽車動(dòng)力學(xué)仿真分析中操縱穩(wěn)定性和平順性協(xié)同優(yōu)化方法，包括以下步驟：

s1、確定仿真試驗(yàn)考察指標(biāo)，即汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性；

s2、確定仿真試驗(yàn)因素及其水平值，根據(jù)試驗(yàn)因素及水平值的設(shè)置選擇合適的正交表；

s3、根據(jù)正交表確定的試驗(yàn)方案在adams仿真平臺(tái)下進(jìn)行整車操縱穩(wěn)定性和平順性試驗(yàn)，并記錄各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，利用極差分析法獲取正交試驗(yàn)各因素極差分析結(jié)果；

s4、利用矩陣型權(quán)重分析法對(duì)正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果進(jìn)行分析，選取試驗(yàn)因素優(yōu)化水平組合方案。

進(jìn)一步地，所述步驟s1具體實(shí)現(xiàn)方法為：確定的仿真試驗(yàn)考察指標(biāo)為各種行駛工況下涉及汽車性能較多的操縱穩(wěn)定性和平順性，其中操縱穩(wěn)定性考察其各項(xiàng)試驗(yàn)的綜合評(píng)分值，平順性考察其隨機(jī)不平路面輸入試驗(yàn)中車身在縱向、側(cè)向和垂向三個(gè)方向振動(dòng)的總加權(quán)加速度均方根值。

進(jìn)一步地，所述步驟s2具體實(shí)現(xiàn)方法為：確定仿真試驗(yàn)因素時(shí)，應(yīng)考慮那些對(duì)整車操縱穩(wěn)定性和平順性影響較大的汽車設(shè)計(jì)參數(shù)，且這類參數(shù)不會(huì)因改變整車結(jié)構(gòu)形式而導(dǎo)致一系列工藝成本的增加，同時(shí)基于參數(shù)在設(shè)計(jì)中易于實(shí)現(xiàn)修改的原則，選取汽車懸架彈簧剛度、減振器阻尼和整車質(zhì)心高度作為試驗(yàn)因素，每個(gè)試驗(yàn)因素在原始模型參數(shù)的基礎(chǔ)上均設(shè)置三個(gè)水平值，并根據(jù)試驗(yàn)因素及其水平數(shù)確定三因素三水平的正交表。

進(jìn)一步地，所述步驟s3具體實(shí)現(xiàn)方法為：選取的正交表為三因素三水平正交試驗(yàn)中l(wèi)9(3⁴)的前3列，根據(jù)正交表確定的試驗(yàn)方案進(jìn)行整車操縱穩(wěn)定性和平順性隨機(jī)不平路面輸入仿真試驗(yàn)，并記錄各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，利用極差分析法獲取正交試驗(yàn)各因素極差分析結(jié)果。

進(jìn)一步地，所述步驟s4具體實(shí)現(xiàn)方法為：利用矩陣型權(quán)重分析法對(duì)步驟s3中的正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)極差分析結(jié)果中各試驗(yàn)因素的權(quán)重大小直接獲取其優(yōu)化水平組合方案，并驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化方案的有效性；其中，矩陣型權(quán)重分析法的具體步驟如下：

s41、建立仿真試驗(yàn)考察指標(biāo)層矩陣p：正交試驗(yàn)中確定的試驗(yàn)因素個(gè)數(shù)及其水平數(shù)分別記為m和n；定義正交試驗(yàn)m個(gè)因素中的第i個(gè)因素在第j個(gè)水平上的試驗(yàn)考察指標(biāo)的算術(shù)平均值為kij；定義試驗(yàn)考察指標(biāo)值為kij，試驗(yàn)考察指標(biāo)值的取值根據(jù)步驟s1中定義方式進(jìn)行取值：若試驗(yàn)考察指標(biāo)值kij越大表示性能越好，則令kij＝kij；若試驗(yàn)考察指標(biāo)值kij越小表示性能越好，則令kij＝1/kij；構(gòu)造的試驗(yàn)指標(biāo)矩陣p如下所示：

s42、建立試驗(yàn)因素層矩陣l：定義構(gòu)造如下因素層矩陣l：

s43、建立試驗(yàn)因素水平層矩陣r：用ri表示正交試驗(yàn)中每個(gè)試驗(yàn)因素ai的極差，定義構(gòu)造的矩陣r如下：

s44、定義影響試驗(yàn)考察指標(biāo)值的各因素水平的權(quán)重矩陣為：

ω＝plr，ω^t＝[ω11ω12…ω1nω21ω22…ω2n…ωm1ωm2…ωmn]^t；

s45、由權(quán)重矩陣得到影響試驗(yàn)考察指標(biāo)的各試驗(yàn)因素水平的權(quán)重值，其值越大表示該因素該水平對(duì)指標(biāo)的影響程度和優(yōu)化作用越大，通過(guò)比較其大小得到影響試驗(yàn)考察指標(biāo)的試驗(yàn)因素的主次順序以及各個(gè)因素對(duì)應(yīng)的最大權(quán)重值，并將最大權(quán)重值作為該因素水平正交試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合方案。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和矩陣型權(quán)重分析法運(yùn)用到汽車動(dòng)力學(xué)仿真分析中，通過(guò)對(duì)少量正交仿真試驗(yàn)方案結(jié)果的分析，快速確定試驗(yàn)因素的最優(yōu)水平組合方案及其主次順序，以實(shí)現(xiàn)汽車操縱穩(wěn)定性和平順性的協(xié)同優(yōu)化。該優(yōu)化方法具有原理簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、設(shè)計(jì)靈活、可靠性高及適用面廣等特點(diǎn)，對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)控制等研究具有重要指導(dǎo)和借鑒意義。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

本發(fā)明的一種汽車動(dòng)力學(xué)仿真分析中操縱穩(wěn)定性和平順性協(xié)同優(yōu)化方法，包括以下步驟：

s1、確定仿真試驗(yàn)考察指標(biāo)，即汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性；具體實(shí)現(xiàn)方法為：確定的仿真試驗(yàn)考察指標(biāo)為各種行駛工況下涉及汽車性能較多的操縱穩(wěn)定性和平順性，其中操縱穩(wěn)定性考察其各項(xiàng)試驗(yàn)的綜合評(píng)分值，平順性考察其隨機(jī)不平路面輸入試驗(yàn)中車身在縱向、側(cè)向和垂向三個(gè)方向振動(dòng)的總加權(quán)加速度均方根值。

s2、確定仿真試驗(yàn)因素及其水平值，根據(jù)試驗(yàn)因素及水平值的設(shè)置選擇合適的正交表；具體實(shí)現(xiàn)方法為：確定仿真試驗(yàn)因素時(shí)，應(yīng)考慮那些對(duì)整車操縱穩(wěn)定性和平順性影響較大的汽車設(shè)計(jì)參數(shù)，且這類參數(shù)不會(huì)因改變整車結(jié)構(gòu)形式而導(dǎo)致一系列工藝成本的增加，同時(shí)基于參數(shù)在設(shè)計(jì)中易于實(shí)現(xiàn)修改的原則，選取汽車懸架彈簧剛度、減振器阻尼和整車質(zhì)心高度作為試驗(yàn)因素，每個(gè)試驗(yàn)因素在原始模型參數(shù)的基礎(chǔ)上均設(shè)置三個(gè)水平值，并根據(jù)試驗(yàn)因素及其水平數(shù)確定三因素三水平的正交表。

本實(shí)施例采用的實(shí)驗(yàn)因素及其水平值如表一所示。

表一

減振器的阻尼特性為非線性，其特性參數(shù)用d0表示。

s3、根據(jù)正交表確定的試驗(yàn)方案在adams仿真平臺(tái)下進(jìn)行整車操縱穩(wěn)定性和平順性試驗(yàn)，并記錄各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，利用極差分析法獲取正交試驗(yàn)各因素極差分析結(jié)果；具體實(shí)現(xiàn)方法為：選取的正交表為三因素三水平正交試驗(yàn)中l(wèi)9(3⁴)的前3列，根據(jù)正交表確定的試驗(yàn)方案進(jìn)行整車操縱穩(wěn)定性和平順性隨機(jī)不平路面輸入仿真試驗(yàn)，并記錄各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)表二設(shè)定的正交試驗(yàn)方案進(jìn)行整車操縱穩(wěn)定性和平順性隨機(jī)不平路面輸入仿真試驗(yàn)，記錄得到的試驗(yàn)結(jié)果如表三所示。

表二

表三

利用極差分析法得到各試驗(yàn)因素及其水平對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)性能的影響情況如表四所示：

表四

由表四分析可得：影響操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)因素主次順序?yàn)椋簞偠?gt;質(zhì)心高度>阻尼，若單獨(dú)考慮操縱穩(wěn)定性的優(yōu)化問(wèn)題，根據(jù)考察指標(biāo)值越大越好的原則，得到的參數(shù)水平優(yōu)化組合方案為：剛度1、阻尼3、質(zhì)心高度1；同理，可得到影響平順性隨機(jī)輸入的試驗(yàn)因素主次順序?yàn)椋嘿|(zhì)心高度>剛度>阻尼，若單獨(dú)對(duì)平順性隨機(jī)輸入進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)考察指標(biāo)值越小越好的原則，得到的參數(shù)水平優(yōu)化組合方案為：剛度1、阻尼3、質(zhì)心高度3?？v上所述，兩個(gè)考察指標(biāo)的參數(shù)水平優(yōu)化組合方案并不一致，為了確定最終的參數(shù)水平優(yōu)化組合方案，需要進(jìn)一步采用本發(fā)明中使用的矩陣型權(quán)重分析法。

s4、利用矩陣型權(quán)重分析法對(duì)正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果進(jìn)行分析，選取試驗(yàn)因素優(yōu)化水平組合方案；具體實(shí)現(xiàn)方法為：利用矩陣型權(quán)重分析法對(duì)步驟s3中的正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)極差分析結(jié)果各試驗(yàn)因素的權(quán)重大小直接獲取其優(yōu)化水平組合方案，并驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化方案的有效性；其中，矩陣型權(quán)重分析法的具體步驟如下：

s41、建立仿真試驗(yàn)考察指標(biāo)層矩陣p：正交試驗(yàn)中確定的試驗(yàn)因素個(gè)數(shù)及其水平數(shù)分別記為m和n；定義正交試驗(yàn)m個(gè)因素中的第i個(gè)因素在第j個(gè)水平上的試驗(yàn)考察指標(biāo)的算術(shù)平均值為kij(第“i個(gè)因素在第j個(gè)水平上”的意思是第i個(gè)因素取第j個(gè)水平時(shí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，比如本實(shí)施例中的“第一個(gè)因素在第二個(gè)水平上”即表示剛度取值為125n/mm)；定義試驗(yàn)考察指標(biāo)值為kij，試驗(yàn)考察指標(biāo)值的取值根據(jù)步驟s1中定義方式進(jìn)行取值：若試驗(yàn)考察指標(biāo)值kij越大表示性能越好，則令kij＝kij；若試驗(yàn)考察指標(biāo)值kij越小表示性能越好，則令kij＝1/kij；構(gòu)造的試驗(yàn)指標(biāo)矩陣p如下所示：

s42、建立試驗(yàn)因素層矩陣l：定義構(gòu)造如下因素層矩陣l：

s43、建立試驗(yàn)因素水平層矩陣r：用ri表示正交試驗(yàn)中每個(gè)試驗(yàn)因素ai的極差，定義構(gòu)造的矩陣r如下：

s44、定義影響試驗(yàn)考察指標(biāo)值的各因素水平的權(quán)重矩陣為：

ω＝plr，ω^t＝[ω11ω12…ω1nω21ω22…ω2n…ωm1ωm2…ωmn]^t；

s45、由權(quán)重矩陣得到影響試驗(yàn)考察指標(biāo)的各試驗(yàn)因素水平的權(quán)重值，其值越大表示該因素該水平對(duì)指標(biāo)的影響程度和優(yōu)化作用越大，通過(guò)比較其大小得到影響試驗(yàn)考察指標(biāo)的試驗(yàn)因素的主次順序以及各個(gè)因素對(duì)應(yīng)的最大權(quán)重值，并將最大權(quán)重值作為該因素水平正交試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合方案。

為方便起見，本實(shí)施例中分別用a和b表示試驗(yàn)中兩個(gè)考察指標(biāo)：操縱穩(wěn)定性和平順性隨機(jī)輸入，d、e、f分別表示試驗(yàn)因素剛度、阻尼、質(zhì)心高度；其中a指標(biāo)值越大越好，構(gòu)造試驗(yàn)因素層矩陣時(shí)取kij＝kij；而b指標(biāo)值追求越小越好，構(gòu)造其試驗(yàn)因素層矩陣時(shí)取kij＝1/kij。則構(gòu)造的兩個(gè)指標(biāo)的六個(gè)矩陣因子如下：

依據(jù)權(quán)重矩陣計(jì)算公式，得到兩個(gè)試驗(yàn)考察指標(biāo)的因素水平權(quán)重矩陣ωa和ωb，該正交試驗(yàn)的總權(quán)重矩陣為兩個(gè)試驗(yàn)考察指標(biāo)因素水平獨(dú)立權(quán)重矩陣的算術(shù)平均值：

(ωa+ωb)/2＝ω總

得到的三個(gè)權(quán)重矩陣分別為：

由總權(quán)重矩陣可以得到影響試驗(yàn)考察指標(biāo)的各試驗(yàn)因素水平的權(quán)重值，其值越大表示該因素該水平對(duì)指標(biāo)的影響程度和優(yōu)化作用越大。通過(guò)比較其大小可得到影響試驗(yàn)考察指標(biāo)的三個(gè)試驗(yàn)因素的主次順序?yàn)椋嘿|(zhì)心高度>剛度>阻尼，且對(duì)應(yīng)的最大權(quán)重值的水平為：f3、d1、e3。因此，最后確定的該三因素三水平正交試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合方案為：d1、e3、f3，即剛度為100n/mm，阻尼為1.2d0，質(zhì)心高度為306mm。該參數(shù)優(yōu)化水平組合方案即為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的方案3，該優(yōu)化方案的兩個(gè)考察指標(biāo)分別為：操縱穩(wěn)定性得分84.642，平順性隨機(jī)輸入總加權(quán)加速度均方根值為0.129m/s²，相對(duì)原模型的83.505和0.140m/s²分別提高了1.36％和降低了7.8％。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。