非公路車輛橡膠懸架系統(tǒng)動(dòng)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(huì)經(jīng)受較大的變形，存在較強(qiáng)的非線性和時(shí)變特性。而新型非線性變剛度橡膠懸架具有自重輕、免潤(rùn)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(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可最大程度減輕路面激勵(lì)引起的振動(dòng)，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(duì)象，基于整車平順性試驗(yàn)建立橡膠懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，以行駛平順性

2、為優(yōu)化目標(biāo)，通過對(duì)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(duì)橡膠元件和液壓減振器進(jìn)行了靜、動(dòng)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(dòng)力學(xué)建模與仿真。 2．設(shè)計(jì)了鉸接式自卸車橡膠懸架室內(nèi)

3、臺(tái)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(shí)間一車速特性評(píng)價(jià)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(jí)路面行駛時(shí)駕駛員的疲勞降低工效時(shí)間僅為0.8～1.6小時(shí)，整車行駛平順性不好，應(yīng)予以改進(jìn)。對(duì)各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行深入研究，研究結(jié)果表明可對(duì)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(duì)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(shí)域空間隨機(jī)路面的生成公式和非線性動(dòng)力學(xué)微分方程組龍格庫(kù)塔隱式求解公式。構(gòu)建了復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)微分方程組Simulink求解模型。對(duì)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(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)非線性橡膠懸架動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性、參數(shù)靈敏度以及動(dòng)平衡位置變動(dòng)等動(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)懸架參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(jì)，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(jì)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(duì)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(duì)橡膠彈簧接觸狀態(tài)、滿載時(shí)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(cè)與優(yōu)化，開發(fā)出工程車輛行駛平順性預(yù)測(cè)與優(yōu)化軟件包。該軟件包提供線性求解模式和針對(duì)鉸接式自卸車橡膠懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的非線性求解模式，具有良好的人機(jī)對(duì)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)