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基于顶置法和熵值法的自卸车悬架系统优化
摘要
本研究提出了一种TOPSIS-based田口方法和熵测量的联合优化方法，来确定最佳悬挂参数，实现几车辆性能的协调，包括：乘坐舒适性、意味车辆对道路损害程度的车辆道路友好性、自动卸载卡车的操纵稳定性。首先利用ADAMS/Car软件建立了整车多体动力学模型，并通过平顺性路面试验对模型进行了验证。舒适性评价的性能指标为驾驶室地板频率加权加速度的均方根值，道路损伤系数用于评价整车的道路友好性。将驾驶室横向加速度和横摇角作为操纵稳定性的评价指标。以前悬架弹簧刚度和减震器阻尼、后悬架弹簧刚度、前后防滚杆扭转刚度为设计变量，分三个层次进行考虑。使用一个偏多边形阵列L18实现模拟，并因此使用TOPSIS将所有确定的舒适性、道路友好性和操纵稳定性的性能标准集成到一个单一的性能指标。 同时，采用熵值法确定质量特征的权重。此外，根据田口方法的原则，确定最佳的因素水平，为单一的响应优化。最后通过悬架参数的优化组合验证了该混合优化方法的有效性。
引言
汽车平顺性、道路友好性、操控性和滚动稳定性是自卸车的主要性能，受悬架系统的影响较大。悬吊是自卸车的主要部件之一。它的作用是使簧载质量的加速度在合理的范围内为驾驶员和运输载荷，同时保持操纵稳定性和道路友好性 [1][2][3]。虽然相对较软的悬架被认为有利于车辆的乘坐和道路的友好性，它往往会恶化车辆的处理质量和滚动稳定性。
因此，针对不同车辆性能指标同时进行的悬架设计和调优受到了越来越多的关注。Thoresson[4]使用数学优化算法对车辆悬架系统进行了平顺性和操控性的优化。结果表明，乘坐舒适性和操控性均有明显改善。Xiao[5]等人建立了基于实验数据的非线性无源空气弹簧模型来表示预紧力的不确定性，并将滑模控制应用于与弹簧并联的主动液压执行机构。Cao[6]等人通过对非线性横摇平面车辆模型的分析，研究了最佳阻尼设计在保持增强横摇稳定性的同时，在降低垂直平顺振动和动态轮胎力方面的潜力。结果表明，所提出的优化阻尼设计总体上能提高隔震性能。Pang[7]等人基于车辆动力学软件ADAMS开发的8times;4重型车辆时域虚拟样机模型，通过悬架刚度匹配实现车辆平顺性优化。Afkar[8]等人基于DW悬架系统模型对悬架系统的机构和几何形状进行了优化。研究了不同机动条件下车轮和悬架系统的几何参数和角度。通过优化悬架系统的几何参数，可以明显改善乘坐舒适性和操控性。Kang[9]等人使用目标级联法研究了为提高车辆平顺性和操纵稳定性而进行的悬架系统鲁棒设计优化过程。结果表明，提出的悬架系统设计方法是有效的、系统的。一般来说，在车辆悬架的设计或改进过程中，对乘坐舒适性、道路舒适性和操纵稳定性的要求是相互矛盾的。因此,确定了最佳的悬架参数，本质上遵循多响应优化过程。也就是说，它可以被看作是一个多准则决策问题。在众多的MCDM方法中，由Hwang和Yoon(1981)[10]开发的TOPSIS方法是一种概念上和应用上都比较简单的排序方法。TOPSIS作为一种著名的经典MCDM方法，在许多领域都被用来解决多属性优化问题。Wang和Lee[11]采用了一种新的模糊TOPSIS方法，结合主观和客观的权重来评估备选方案，并通过一个软件选择问题来验证其适用性。Su[12]等人开发了一种TOPSIS和田口相结合的方法来优化注射成型工艺的光导板的多质量性能。通过TOPSIS响应表得到多响应过程优化的制造参数组合。Lu[13]等人使用Taguchi和TOPSIS的混合方法来识别最健壮的生产控制策略，从而从可选的精益拉系统设计中识别最优场景。Ullah等人[14]采用TOPSIS方法对空间运载火箭进行概念设计和评价。Davoodi等人[15]指定TOPSIS方法，通过八个系统的评估过程来选择最佳的几何保险杠梁概念，以满足定义的产品设计规范的安全参数。Simsek等人[16]采用基于topsis的Taguchi优化方法确定了预拌混凝土厂高强度自密实混凝土的最优配合比。Chang和Chen[17]提出了一种结合Taguchi和TOPSIS算法的混合方法来满足产品形态设计的多重性能准则。
本研究采用基于topsisb的田口方法来识别自卸车的最佳悬架参数，以提高平顺性、道路友好性和操纵稳定性。首先，对整车模型进行了开发，并通过平顺性路面试验进行了验证。确定了性能指标、影响因素及其水平后，利用正交阵进行了车辆仿真。 然后利用TOPSIS方法将所有确定的乘坐舒适性、道路友好性和操纵稳定性的性能指标转化为单一的性能指标。同时，采用熵值法确定各质量特征的权重。因此，最好的因素水平是确定基于田口原则。
方法
田口方法
与传统的实验设计方法相比，田口法可以根据正交表用最少的实验次数获得最大的信息量。此外，田口法处理了基于信噪比(SN)的实验结果，信噪比代表了一个过程相对于其变化的平均值的大小。信噪比是评价[18]性能的有效方法。在本研究中，舒适性、道路友好性和操纵稳定性的性能指标为驾驶室地板频率加权加速度的均方根值、道路损伤系数、驾驶室的横向加速度和横摇角。显然，这四个性能指标的数值越小，越有利于自卸车的平顺性、道路友好性和操纵稳定性。换句话说，绩效考核具有越小越好的特点。因此，将实验结果的SN比定义为:
(1)
式中，SNij为实验编号i的响应j的SN比;yijl 为复制时实验编号i的响应j的实验结果;n是重复的总数。然后计算各因子水平的平均响应值，计算各因子的主效应值，即因子水平的最大信噪比与最小信噪比之差。这些数据也可以表示为一个图，称为因子响应图，用于对每个因子的效果分析。与其他因素相比，某一因素的主效应值越低，该因素对系统的影响越小。反之，如果某一因素的主效应值高于其他因素，则其质量改善效果显著。这个过程可以用
(2)
(3)
式中:fp表示因子f第一级的平均SN比;s为各因素的p水平数;SNpq是P水平的第q SN比;t是每个因子水平的个数。
TOPSIS
TOPSIS方法最初由Hwang和Yoon提出，用于将系统所有确定的性能值集成到一个单独的值中，然后在多变量优化问题中作为一个单独的性能值使用。通过测量欧氏距离[19]对可能的备选方案进行排序，是解决多准则决策问题的一种有效方法。它的基本概念是所选方案与正理想溶液(pi)的距离最短，与负理想溶液(NIS)的距离最长。
田口法得到的SN比可以作为决策矩阵，定义为:
(4)
其中，SN,i = 1,2，⋯⋯，m;ijj = 1,2，，，n表示第i次试验的第j个性能准则的结果;m为实验次数，n为性能指标次数。
(10)
根据TOPSIS技术，定义的决策矩阵可以用以下公式归一化为无标度矩阵:
(5)
其中，r为SN的归一化值。然后将归一化值乘以与每个属性相关的权重，则加权归一化值vij
表示为:ij
(6)
其中，wj为第j个准则的权值。
(7)
其中A 表示pi, A-表示NIS。
本研究的目的是最小化质量特征，即特征越小越好，因此pi和NIS由:
(8)
pi和NIS的每一个备选项的分离可由欧氏距离确定，欧氏距离定义如下:
(9)
表示第i个备选项与pi之间的距离，表示第i个备选项与NIS之间的距离。
的时间和地点
最后，某一特定备选方案与理想方案的相对接近度表示为:
(10)
贴近度按降序排列，c值最大的选择是最佳选择。
熵测量
在目前的工作中，熵理论是一种利用概率论表达的信息的不确定性的度量，它被用来计算每个性能指标的权重。熵值法不需要专家判断，利用决策矩阵[20]中的标准权重计算标准权重。熵值可以确定为:
(11)
现在，确定正理想解(pi)和负理想解(NIS)来计算一个备选(实验数)与最佳和最差备选之间的距离。pi和NIS的确定如下:
k是熵常数，等于1/ln(m)是r的投影值。
各性能指标的权重为:
(12)
其中d=1表示第j个性能指标的偏离程度。 一般来说，偏离度越高，表示提供的信息越多，因此该目标的权重越大。
建模和验证
自卸车建模
在Adams/Car软件中建立了一辆6times;4的自卸车，主要由驾驶室、车架、集装箱、前悬架、后平衡悬架、动力总成、转向装置、轮胎等组成。6times;4自卸车基本参数如表1所示。
表1。自卸车基本参数(表里文字翻译一下)
在自卸车悬架系统中，前转向轴上安装了两个叶片弹簧和两个被动阻尼器，后驱动轴上安装了两个串联悬架，如图1所示。叶片弹簧和串联悬架均采用离散梁单元。在确定几何形状、材料和节段数后，用季莫申科梁单元连接的一系列刚性部件来反映叶弹簧的质量分布和刚度特性。采用橡胶衬套模拟前防滚杆扭转刚度，后防滚杆为柔性体，如图2所示。利用Pacejka提出的神奇配方轮胎模型对轮胎力学性能进行了描述，并利用平板轮胎试验台[21]对轮胎参数进行了测试。其他子系统也采用Adams/Car软件建模。根据各子系统之间的拓扑关系，通信器将各子系统组装在一起，用于子系统之间的信息交换。为了完成装配，还考虑了不包括在上述子系统中的附件。最后得到自卸车刚柔耦合模型，如图3所示。
图1前后悬架
图2前后防滚杆
图3自动卸料卡车模型
模型验证
以自卸车模型验证为目的，在b级公路上分别以40km /h、50km /h、60km /h、70km /h、80km/h等速满载工况下进行了平顺性仿真。对驾驶室底板的三个方向的加速度响应提取和分析。同时，驾驶室地面加速度数据通过安装在驾驶员座椅导轨上的加速度计在沥青路面上进行测量，如图4所示。采集加速度信号，与仿真结果进行对比。根据中国国家标准GB/T4970-2009《运行试验方法—汽车平顺性》[22]，计算了用于评估驾驶舒适性的驾驶室地板频率加权加速度的总均方根值。驾驶室底板频率加权加速度总体均方根值的仿真结果与试验结果的曲线对比如图5所示。
图4驾驶员座椅扶手上的加速度计
图5整体加权加速度均方根值的仿真和试验结果
从图5可以看出，驾驶室底板加权加速度的总体均方根值随着车速的增加而增加。仿真结果与试验结果吻合较好，最大相对误差为14.8%。这说明本文建立的车辆模型具有足够的精度，可以用于悬架参数的优化。
整车性能指标及试验设计
行驶平顺性、道路友好性和操纵性能评价指标
直线保持事件和双变道事件分别被用于乘坐舒适性，道路友好性和处理性能模拟。在直线养护模拟中，自卸车沿b级公路直线行驶，保持匀速前进60公里/小时。提取了驾驶室底板的三向加速度响应并应用。
计算以频率加权加速度作为行驶平顺性评价指标的总体均方根值，用a表示。收集轮胎力，计算道路损伤系数，用于评价自卸车的道路友好性。v基于四阶幂律的道路损伤系数考虑了动态轮胎力的相关关系和部分空间可重复性，能够有效地对道路损伤进行评估。定义道路损伤系数J为
(13)
其中为总轮胎力的四次幂; 分别为A的偏差和均值。
双变道项目是一种常用的测试策略，通常用于评估车辆在紧急情况下避开障碍物的能力。本研究以60公里/小时的车速进行双变道机动。然后,处理稳定评估使用的最大横摇角和最大横向加速度重心(CG)的出租车,分别由Phi;和ay因此,本研究的优化目标是最小化的这四个值av,J,Phi;和ay。
因素及其水平
选取前悬架弹簧刚度和减震器阻尼、后悬架弹簧刚度、前后防滚杆扭转刚度等5个因素来提高自卸车的乘坐舒适性、道路舒适性和操纵稳定性。这些因子分别用K1、K2、K3、K4和C1表示。然后根据基线值plusmn;10%的范围为每个因素选择三个水平。5个因素及其水平见表2。值得注意的是，因为悬架阻尼器是分段线性的，在压缩和扩展过程中有不同的系数，所以C1每个级别有两个值。
表2因素及其水平
实验设计
本研究采用田口的实验设计，研究了自卸车悬架参数对自卸车平顺性、道路友好性和操纵稳定性的影响。因此，我们使用一个偏多边形阵列进行仿真，优化悬架系统的实验布局如表3所示。18 如上所述，有两个模拟事件，分别为乘坐舒适性，道路友好性和操纵稳定性。因此，我们分别对骑乘模拟事件和双变道事件进行了18次仿真。
表
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