非公路車輛橡膠懸架系統(tǒng)動力學(xué)建模、優(yōu)化與試驗(yàn)研究.pdf

1、非公路車輛在工況惡劣的非公路路面上作業(yè)，懸架系統(tǒng)往往會經(jīng)受較大的變形，存在較強(qiáng)的非線性和時變特性。而新型非線性變剛度橡膠懸架具有自重輕、免潤滑、可靠性高的特點(diǎn)，無論車輛滿載還是空載狀態(tài)，都能為車輛提供優(yōu)良的行駛平順性，通過動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，可最大程度減輕路面激勵引起的振動，減輕駕駛員的疲勞，提高車輛部件的使用壽命。 本文以非公路鉸接式自卸車(ADT250)橡膠懸架為研究對象，基于整車平順性試驗(yàn)建立橡膠懸架系統(tǒng)動力學(xué)模型，以行駛平順性

2、為優(yōu)化目標(biāo)，通過對不同路面、載荷、車速條件的懸架特性進(jìn)行優(yōu)化，得到橡膠懸架理想的非線性變剛度特性曲線和橡膠彈簧最優(yōu)的外形尺寸參數(shù)。論文主要內(nèi)容及創(chuàng)新成果包括： 1．論文對橡膠元件和液壓減振器進(jìn)行了靜、動態(tài)試驗(yàn)，研究了懸架各部件在外載和約束條件下的剛度和阻尼特性，用最小二乘法擬合得到橡膠元件非線性力特性三次多項(xiàng)式表述模型，該模型可描述橡膠彈簧的非線性力特性并應(yīng)用于整車的動力學(xué)建模與仿真。 2．設(shè)計了鉸接式自卸車橡膠懸架室內(nèi)

3、臺架試驗(yàn)方案，在不同路面、載荷及不同車速組合工況下用座椅疲勞降低工效時間一車速特性評價新研制的ADT250自卸車整車行駛平順性，研究顯示當(dāng)自卸車以滿載、最高車速在GB C級路面行駛時駕駛員的疲勞降低工效時間僅為0.8～1.6小時，整車行駛平順性不好，應(yīng)予以改進(jìn)。對各測點(diǎn)的動力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行深入研究，研究結(jié)果表明可對座椅以及除座椅外的其余懸架系統(tǒng)進(jìn)行分離建模與優(yōu)化以全面改善鉸接式自卸車的整車行駛平順性。 3．以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立了包含液

4、壓阻尼非對稱特性及彈簧立方非線性的非線性橡膠懸架整車十五自由度集中質(zhì)量參數(shù)模型。推導(dǎo)出時域空間隨機(jī)路面的生成公式和非線性動力學(xué)微分方程組龍格庫塔隱式求解公式。構(gòu)建了復(fù)雜非線性動力學(xué)微分方程組Simulink求解模型。對比不同模型的仿真精度并用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了非線性十五自由度整車模型。以所建動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，對非線性橡膠懸架動力學(xué)響應(yīng)特性、參數(shù)靈敏度以及動平衡位置變動等動力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。 4．由于非線性十五自由度整車模型難以

5、解析求解，為深入研究橡膠懸架的非線性特性，建立了包含橡膠彈簧立方非線性的兩自由度非線性動力學(xué)方程組并得到相應(yīng)解析解。采用多尺度法和李亞普諾夫一階近似理論對兩自由度非線性橡膠懸架進(jìn)行穩(wěn)定性分析，由解析解驗(yàn)證了本文理論推導(dǎo)的正確性。系統(tǒng)的分岔及轉(zhuǎn)遷集表明為了避免橡膠懸架系統(tǒng)在某些參數(shù)下出現(xiàn)跳躍等不穩(wěn)定現(xiàn)象，必須選擇合適的懸架剛度優(yōu)化參數(shù)范圍。 5．為優(yōu)化得到橡膠懸架理想非線性剛度特性曲線，提出橡膠懸架小生境自適應(yīng)遺傳優(yōu)化算法(NSG

6、A算法)，對算法的選擇、交叉、變異等關(guān)鍵算子進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用“清除”策略改善種群的多樣性并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)復(fù)制，提出并實(shí)現(xiàn)局部搜索算子以加速算法的收斂速度。建立了橡膠懸架多工況參數(shù)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)Simulink、遺傳算法對懸架參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計。用小生境自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化得到橡膠懸架理想的非線性剛度特性曲線和最佳的阻尼特性參數(shù)，優(yōu)化后的仿真結(jié)果表明小生境自適應(yīng)遺傳算法提高了橡膠懸架的減振性能，在兼顧操縱穩(wěn)定性的前提下改善了鉸接式自卸車整車行駛平順

7、性。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，駕駛室地板的加速度均方根值平均降低約19％。 6．由于橡膠元件變形具有很強(qiáng)的非線性特性，借助有限元方法展開理論研究。本文基于大變形理論，推導(dǎo)出橡膠元件非線性大變形計算的理論公式。根據(jù)橡膠材料試驗(yàn)，確定Ogden三階模型為最合適的橡膠材料本構(gòu)模型。對橡膠元件單元選擇以及接觸處理進(jìn)行了深入討論。建立了橡膠彈簧參數(shù)化有限元模型，對橡膠彈簧接觸狀態(tài)、滿載時的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行深入研究。根據(jù)理想非線性剛度特性曲線，用一階

8、優(yōu)化方法優(yōu)化得到橡膠彈簧的外形尺寸參數(shù)，使其結(jié)構(gòu)尺寸更為合理。優(yōu)化后的橡膠彈簧最大Von Mises應(yīng)力不超過4Mpa，滿足橡膠的工程許用應(yīng)力。 7．為實(shí)現(xiàn)兩軸工程車輛和三軸平衡懸架平順性的快速預(yù)測與優(yōu)化，開發(fā)出工程車輛行駛平順性預(yù)測與優(yōu)化軟件包。該軟件包提供線性求解模式和針對鉸接式自卸車橡膠懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的非線性求解模式，具有良好的人機(jī)對話界面和豐富的后處理功能，并通過了實(shí)例驗(yàn)證。 完成了非線性橡膠懸架的試驗(yàn)建模、優(yōu)