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原文传递非公路车辆橡胶悬架系统动力学建模、优化与试验研究

论文题名：	非公路车辆橡胶悬架系统动力学建模、优化与试验研究
关键词：	非公路车辆;橡胶悬架;动力学建模;遗传算法;优化设计
摘要：	非公路车辆在工况恶劣的非公路路面上作业，悬架系统往往会经受较大的变形，存在较强的非线性和时变特性。而新型非线性变刚度橡胶悬架具有自重轻、免润滑、可靠性高的特点，无论车辆满载还是空载状态，都能为车辆提供优良的行驶平顺性，通过动态优化设计，可最大程度减轻路面激励引起的振动，减轻驾驶员的疲劳，提高车辆部件的使用寿命。本文以非公路铰接式自卸车(ADT250)橡胶悬架为研究对象，基于整车平顺性试验建立橡胶悬架系统动力学模型，以行驶平顺性为优化目标，通过对不同路面、载荷、车速条件的悬架特性进行优化，得到橡胶悬架理想的非线性变刚度特性曲线和橡胶弹簧最优的外形尺寸参数。论文主要内容及创新成果包括： 1．论文对橡胶元件和液压减振器进行了静、动态试验，研究了悬架各部件在外载和约束条件下的刚度和阻尼特性，用最小二乘法拟合得到橡胶元件非线性力特性三次多项式表述模型，该模型可描述橡胶弹簧的非线性力特性并应用于整车的动力学建模与仿真。 2．设计了铰接式自卸车橡胶悬架室内台架试验方案，在不同路面、载荷及不同车速组合工况下用座椅疲劳降低工效时间一车速特性评价新研制的ADT250自卸车整车行驶平顺性，研究显示当自卸车以满载、最高车速在GB C级路面行驶时驾驶员的疲劳降低工效时间仅为0.8～1.6小时，整车行驶平顺性不好，应予以改进。对各测点的动力学响应进行深入研究，研究结果表明可对座椅以及除座椅外的其余悬架系统进行分离建模与优化以全面改善铰接式自卸车的整车行驶平顺性。 3．以试验为基础，建立了包含液压阻尼非对称特性及弹簧立方非线性的非线性橡胶悬架整车十五自由度集中质量参数模型。推导出时域空间随机路面的生成公式和非线性动力学微分方程组龙格库塔隐式求解公式。构建了复杂非线性动力学微分方程组Simulink求解模型。对比不同模型的仿真精度并用试验结果验证了非线性十五自由度整车模型。以所建动力学模型为基础，对非线性橡胶悬架动力学响应特性、参数灵敏度以及动平衡位置变动等动力学现象进行了深入研究。 4．由于非线性十五自由度整车模型难以解析求解，为深入研究橡胶悬架的非线性特性，建立了包含橡胶弹簧立方非线性的两自由度非线性动力学方程组并得到相应解析解。采用多尺度法和李亚普诺夫一阶近似理论对两自由度非线性橡胶悬架进行稳定性分析，由解析解验证了本文理论推导的正确性。系统的分岔及转迁集表明为了避免橡胶悬架系统在某些参数下出现跳跃等不稳定现象，必须选择合适的悬架刚度优化参数范围。 5．为优化得到橡胶悬架理想非线性刚度特性曲线，提出橡胶悬架小生境自适应遗传优化算法(NSGA算法)，对算法的选择、交叉、变异等关键算子进行改进，运用“清除”策略改善种群的多样性并实现稳态复制，提出并实现局部搜索算子以加速算法的收敛速度。建立了橡胶悬架多工况参数优化模型，实现Simulink、遗传算法对悬架参数的联合优化设计。用小生境自适应遗传算法优化得到橡胶悬架理想的非线性刚度特性曲线和最佳的阻尼特性参数，优化后的仿真结果表明小生境自适应遗传算法提高了橡胶悬架的减振性能，在兼顾操纵稳定性的前提下改善了铰接式自卸车整车行驶平顺性。经过优化设计，驾驶室地板的加速度均方根值平均降低约19％。 6．由于橡胶元件变形具有很强的非线性特性，借助有限元方法展开理论研究。本文基于大变形理论，推导出橡胶元件非线性大变形计算的理论公式。根据橡胶材料试验，确定Ogden三阶模型为最合适的橡胶材料本构模型。对橡胶元件单元选择以及接触处理进行了深入讨论。建立了橡胶弹簧参数化有限元模型，对橡胶弹簧接触状态、满载时的应力、应变状态进行深入研究。根据理想非线性刚度特性曲线，用一阶优化方法优化得到橡胶弹簧的外形尺寸参数，使其结构尺寸更为合理。优化后的橡胶弹簧最大Von Mises应力不超过4Mpa，满足橡胶的工程许用应力。 7．为实现两轴工程车辆和三轴平衡悬架平顺性的快速预测与优化，开发出工程车辆行驶平顺性预测与优化软件包。该软件包提供线性求解模式和针对铰接式自卸车橡胶悬架系统优化设计的非线性求解模式，具有良好的人机对话界面和丰富的后处理功能，并通过了实例验证。完成了非线性橡胶悬架的试验建模、优化参数全局稳定性分析并用小生境遗传算法保证收敛到全局最优解的研究。
作者：	周长峰
专业：	车辆工程
导师：	陈南;孙蓓蓓
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文