一种面向整车性能分解技术的多目标系统优化设计方法

一种面向整车性能分解技术的多目标系统优化设计方
法
.设计.计算.研究.
一种面向整车性能分解技术的
多目标系统优化设计方法
谢骋王蠡任凯
泛亚汽车技术中心有限公司
【摘要】构建了一种面向整车操纵稳定性指标分解技术的智能化仿真计算及子系统性能参数优化设计的分析方
法流程.归纳了面向级轿车悬架系统外特性参数的典型变化范围带宽,并探索出了一条子系统外特性参数对
多个整车性能目标的优化技术路线。

运用方法、响应面方法以及基于响应面结果的多目标优化算法,得到了悬
架子系统各特性参数对整车操纵稳定性目标的敏感性、贡献率、近似模型以及最优设计值。

主题词:整车性能技术分解多目标系统优化设计
中图分类号:文献标识码:文章编号:
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啪, ?,? ,
涉及数量众多的子系统控制变量和多个整车目标变
前言
量.即控制变量之间存在着复杂的耦合关系,控制变
在车辆架构开发的前期阶段.需要根据市场调量和目标之间存在着较强的非线性关系。

若将所有控
制变量和目标直接投入优化流程.其效率和计算结果
研所确定的一系列操纵稳定性、平顺性等整车性能
目标.来进一步得到各子系统总成如悬架、转向、制的精度都会很低。

因此.先运用方法筛选出对整
动、轮胎等的设计指标。

本文综合应用和? 车优化目标具有显著影响且贡献率较大的子系统参
数.然后利用这些参数建立响应面模型.在响应面分
构建了一种智能化仿真和基于统计学方法的
析基础上进行寻优并找到全局最优解决方案。

性能指标分析流程.并以悬架系统为例,在大量整车
操纵稳定性客观试验数据的基础上.确立了一套操 . ?优化任务集成模块开发
针对图中提到的“车辆模型和优化任务桥接
纵稳定性技术指标作为底盘架构的开发目标.同时
对近百余辆乘用车的悬架、减振器阻尼特性等的自动化计算流程”,解决了个问题:抽初始
动力学模型中悬架系统特性参数识别及非线性特性
数据资源进行了梳理.确定出作为设计变量的子系
统特性参数。

曲线的智能替换.集成整车操纵稳定性客观试验规
范和虚拟仿真工况的外部求解机制的建立.
系统参数的优化设计流程
整车操纵稳定性客观评价指标计算结果的后处理.
’
.优化计算的流程设计以及迭代计算结果的数值提取。

图给出了优化任
所采用的设计流程如图所示。

本文研究的问题务集成模块的结构。

汽车技术
万方数据.设计.计算?研究?
仿真得到的结果文件送入?自动完成目标
车辆操纵动力项目任务规划与定义:目标、控制
学模型建立与卜.?变量有效变量和白噪声、输出
设置和数据交换。

质量验证『指标、约束、循环次数
优化任务的规划设置:这是整个优化
进行设计的任务规划
流程的调度和决策中心.它决定选用怎样的优化方
桥接模型和任务之间的自法和过程配置参数.并决定每个优化任务所选用的
动化计算流程
变量、约束条件及目标函数;由它对每一次虚拟试验
任务计算与结果分析
中控制变量的水平进行组合分配.完成迭代循环.并
记录计算结果进行统计学误差分析.判断其是否符
基于显著性因子的响应面
计算任务规划及计算
合目标函数和约束范围的要求。

响应面计算结果评估:蒙特
优化设计流程的外部技术条件
卡罗方法、泰勒级数方法等
.优化目标的设定
最终被推荐方案
茬磊管删鲜延车目标岁
整车的操纵稳定性客观评价体系是一个复杂的
图系统优化的计算流程设计
系统.它需要通过一系列不同工况下如准静态与动
/ ?优化任务规划设置 \.
态、稳态与瞬态、线性区与非线性区、时域与频域的
、\、、及统计学后处理分析/’
性能技术指标多方位评价车辆操控性能的优劣。

本
予系统特礁蠢数弹识簿姆性舀磷姆鄂番
:冁线饕斌一文仅以稳态定圆试验为例作方法论层面的讨论。

. 鞲≈鹊蠢勰爝鬻嚣蕊蠛臻
稳态定圆回转试验是一种在稳态行驶工况下
黼糍霉
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一言;戮嚣
吖??
对车辆操控性进行考察的整车级客观性能试验。

指
竺罗划
甲
予系统黼
“客观
标包括:前、后轴等效侧偏柔度、不足转向梯度、转
子系统特特性曲初始模
评价指标后处
孟刁
性曲线自线拟合型及模
理控制文件
与系数型质量、查塑堡』向灵敏度、侧倾梯度等。

本文将这些指标作为
系统
动化替换
、?√??、
程序开发确定验证
优化设计的目标变量.并初步给出了一组目标变量
二一. “客观
评价指标后处
一??一?~,一??、理文件
的带宽设计要求表用以检验最终优化结果的
、~,/、
眩囊篓堂羹禽磊司
冀裴篓耋类萎美署蓑嚣
计算精度。

型的选择弄茎引匪“’
表优化目标设计要求
图 ?优化任务集成模块目标参数目标最优期望值子系统特性参数识别与特性曲线的智能替换:
.
前轴等效侧偏柔度/。

?矿
利用数据拟合方法将待优化的悬架运动学特性曲线.
后轴等效侧偏柔度/。

?纩
参数化.在优化变量设置时通过控制拟合曲线的特.
整车不足转向梯度/。

?旷
征参数解析式系数达到优化特性曲线的目的,这
.
转向灵敏度倡?。

“
些经识别后的特征参数将被作为优化过程的控制变.
线性区范围詹
量。

在过程中.基于子系统特性参数试验数据
.
侧倾梯度,。

?
库可以确定出控制变量的变化带宽和水平.再将各控制变量的不同水平按欧拉方规则进行组合.送入.优化过程中控制变量的选择
流程中进行迭代计算。

以悬架系统为例.其外特性参数可以分为车轮
外部求解机制:通过这一机制的建立使
静态定位参数、悬架特性参数和悬架特性参
优化过程中大规模迭代运算的智能化成为可能.并数。

其中不乏非线性特性曲线,如轮跳外倾变化特将动力学工况的仿真结果送入整车操纵稳定性评价
性、轮跳轮距变化特性】、悬架垂直刚度、减振器阻
指标的后处理程序。

尼特性等。

整车操纵稳定性客观评价指标计算结果的后处
图给出了外倾角随轮跳变化的特性试验
理:仿真结果的输出量是车辆运动的状态参
测试数据及拟合曲线。

其中,特征参数的工程意义
数,如横摆角速度、侧向加速度、质心侧偏角等,要得
为该特性曲线的线性度.即。

越小曲线越平缓.线性度
到整车操控性客观评价指标如不足转向.梯度等。

越强.本例中控制变量口的取值范围被限定为.×
必须按国际标准的定义计算求得.并将每一步迭代。

×:特征参数在工程上表征轮跳行程中
~?
年第期
万方数据.设计.计算研究.
.控制变量的变化水平与合理带宽范围的确定
心区处一。

的车轮外倾角变化率。

由图
对近百辆轴距在 ~ 范围内的车
可以看到.经拟合后的曲线可以准确描述悬架系统
特性参数的基本特征。

运用类似的方法.根据不同辆试验数据和车轮定位参数测试数据进行了
特性曲线的特点分别选用指数、次样条等拟合方详细归纳和梳理.确定出该级别车型各特性曲线的
式将所有需要关注的非线性特性曲线逐一进行参数变化范围带宽。

图给出了前轮主销后倾角特性
化.可以得到一组控制变量。

曲线斜率的变化范围。

≤
提
坚
‰
锌
前轮轮跳行程/
图外倾角随轮跳变化的特性
车轮轮心垂直运动行程/
综合所有非线性曲线的拟合结果.统计悬架子
图轮跳下主销后倾角变化率的带宽范围选择
系统所有静态、运动学和弹性运动学设计参数,确定
控制变量为组表,共个。

优化计算的统计学分析结果
表任务中控制变量的选择
类别控制变量量纲
. 分析结果
前轮车轮前束角
针对个悬架子系统控制参数规划了一套
前轮车轮外倾角。

因素、水平、迭代次数为次的正交试验方案【】.
车轮定位
前轮主销内倾角。

以此分析各输入变量对目标的贡献率和影响程度。

图静态设计
为悬架系统各特性参数对整车操控性指标??不足
前轮主销后倾角
参数
转向梯度的贡献率.图中仅列出了贡献率大于%的
前轮主销内倾偏移距
显著性影响因子。

从图可以看出.对不足转向梯度
前轮主销后倾偏移距
影响最显著的一族特性是“前束角运动特性”.其中包前、后轮轮跳主销后倾变化特性
/
括侧向力转向特性、回正力矩转向特性、前束角随轮前、后轮轮跳轴距变化特性 ,
悬架跳变化特性和前束角定位参数静态设计值等. 前、后轮轮跳外倾变化特性
/
特性
前、后轮轮跳轮距变化特性 /
前、后轮轮跳前束变化特性 ,
前、后轮纵向力转向特性逞。

/
辅
前、后轮侧向力转向特性 /
鬻一
前、后轮回正力矩转向特性 /葚枷
前、后轮侧向力外倾角变化特性。

/
一
前、后轮回正力矩外倾角变化特性 /?
悬架
前、后轮纵向力轴距变化特性 / 。

巽
特性
;
;嚣。

嚣。

‘蠢”。

;;; :器。

嚣。

;”;”。

”:;
前、后轮侧向力轮距变化特性 ,
图对不足转向梯度影响显著的因子
/
前、后悬架线性区刚度
基于分析结果.综合考虑各悬架子系统特
前、后悬架压缩行程非线性区刚度 /
性对项整车操纵稳定性客观评价指标的贡献率. 前、后悬架拉伸行程非线性区刚度 /
从个参数中筛选出贡献率大于%的个显著
前、后悬架侧倾刚度 ?/
因子作为响应面分析和系统优化设计的控制变量减振器阻
前、后悬架减振器阻尼 ?/
尼特性
表。

汽车技术
万方数据.设计.计算.研究.
表悬架子系统特性参数中的显著性影响因子
基于计算结果筛选出的个显著因子所
控制变量:贡献率较大的显著因子量纲
建立的阶响应面近似模型共有项.意味着近
车轮外倾角。

似模型的初始化至少需要进行次计算才能得到前轮回正力矩转向率。

/
表达式的各系数。

由图可以看到.对于后轴等效
前轮纵向力转向率侧偏柔度和车身侧倾梯度这两个整车性能目标而,
言.通过响应面近似模型得到的计算结果与通过
前轮轮跳下轮距变化特性中心斜率 ,
复杂动力学模型得到的结果可以很好地吻
前轴侧向力转向率 /【
合在线附近.说明基于结果的响应面近似
前轮轮跳外倾变化特性中心斜率。

/
模型对整车性能评价指标具有很高的预测精度。

前轮轮跳主销后倾变化特性中心斜率。

/
Ⅲ∈
前轮轮跳前束变化特性线性度‘
好.,
嬖.
一
, 撼
琳
前轮轮跳前束变化特性中心斜率。

/
耋
耋 /
前悬架线性区刚度 /
/
.
/
幕.
墓.
前悬架主销内倾角
痨
后轮回正力矩外倾角变化特性 ,童
毒
/
/
/ .捌‘
后轴回正力矩转向率。

,召:?
通过响应面得到的计算结果通过响应面得到的计算结果后轮轮跳下轮距变化特性中心斜率 /
后轴等效侧偏柔度的车身侧倾梯度的
后轴侧向力外倾角变化率
/
响应面精度响应面精度
后轴侧向力转向率 /【
图响应面近似模型的精度分析
后轮轮跳外倾变化特性中心斜率
/
表给出了基于同一组悬架子系统特性参数.
后轮轮跳前束变化特性线性度
但分别由复杂动力学模型和响应面近似模
后轮轮跳前束变化特性中心斜率。

/【
型计算得到的整车操控性目标的对比结果。

从表后悬架线性区刚度 /
可以看出.近似模型的预测值与计算值之间
前轮前束角
的误差完全可以支持后续的全局优化设计任务。

表近似模型预测值与计算值的结果对比
. 基于的响应面分析结果
整车优化目标计算结果近似模型预测值
响应面是一种结构较为简单但方程规模较大的
. .
后轴等效侧偏柔度/。

?矿
数学模型.它通常以低阶多项式形式给出.对所要分. .
不足转向梯度,。

?纩
析的数据做统计学意义上的近似处理以获得具有较
. .
高预测能力的单目标多维空间曲面模型【’。

线性区范围詹?。

一.
.
综合考虑计算精度和计算效率.决定选用阶侧倾梯度僖
. .
响应面模型:
转向灵敏度/。

?旷
.
酣乏。

射三戈;∑鹕匆基于近似模型的系统优化分析结果豇勺
平台下的多目标优化问题可以用以下
式中:为自变量个数;兢为第个自变量;、、为
表达形式描述。

二次多项式的系数。

响应面模型是在计算结果的基础上建立
目标函数:丁拄施如∑喜争×
的。

基于的每一次迭代结果整车目标与控制
变量子系统参数之间的对应关系.采用既定的拟
其中:赵碧茅竺目标函数可以满足等式约束:
‘
合多项式系数待定,利用最小二乘法计算出多项
,江,?。

式系数.从而确定出响应面。

它是复杂动力学车辆式中,娥为各优化目标的权系数,本文默认为;
模型在数学意义上的一种简单表达.可以进一步缩为规模因子,本文默认为囊戈为优化迭代的目标小全局优化任务中寻优空间的范围.大大提高了计计算结果‖‘为各优化目标的最优期望值。

算效率和寻优精度。

一?
】年第期
万方数据.设计.计算.研究.
在响应面分析的基础上采用了序列二次规划法
寻找全局最优解.序列二次规划法町以将多目标优化问题转化为单目标问题进行处理.其所用的目标函数为:
轮跳行程/
唰乏箭吣丁喇州
前轮轮跳主销后倾角变化特性
图和图显示.经过余次的迭代计算.找
吕
到了一组悬架子系统最优解决方案。

渣
坦
晷
一
笋
辞
玉
一
船
二已
三一
毯
轮跳行程抽
魁
帐
嚣
堡
娶后轮轮跳轮距变化特性
髫
晕
较
衣图悬架子系统参数部分优化设计结果如
暴
利用优化得到的子系统参数重新建立
蛙
车辆动力学模型.对整车操纵稳定性指标计算所得
到的结果见表所列。

从表中可以看出.在本文所确
优化迭代次数
优化迭代次数定的子系统控制变量带宽约束条件下,该最优解确车身侧倾梯度后轴等效侧偏柔度
实能较大程度上满足整车的既定设计目标.在各目
图序列二次规划法优化历程
标期望值之间找到了平衡点。

.
目标最优
垂一?
整车性能优化目标初始状态优化结果
期望
珏一.
柱一.
. . .
前轴等效侧偏柔度/。

?矿
.
.
后轴等效侧偏柔度,。

旷
轮跳行程/
前轮轮跳前束变化特性
. . .
不足转向梯度/。

?纩
. . .
转向灵敏度,。

?‖
∑
搬
. . .
线性区范围僖?。

谣
柱
. . .
车身侧倾梯度詹
参考文献
轮跳行程/
耶尔森.莱姆帕尔.汽车底盘基础.卜.海:科学普及出版社. 后轮轮跳前束变化特性
.
≤
.
蜒,
酵. ? ?辞
.
抖,
. .
轮跳行程/
,?一.
前轮轮跳外倾角变化特性责任编辑学林
≤
修改稿收到日期为年月日。

正
竖
‘
奄、
黎
抖
后轮轮跳外倾角变化特性’
一一
汽车技术万方数据。