一种基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架拓扑优化设计方法技术

本发明专利技术属于车辆悬架隔振领域，涉及一种基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架拓扑优化设计方法。其主要内容包括：步骤一：建立车辆ISD悬架动力学模型；步骤二：基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架半主动控制策略求解；步骤三：基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架拓扑优化；步骤四：基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架分数阶滑模控制器设计。采用本发明专利技术提出的车辆ISD悬架设计方法可实现悬架宽频域范围内振动的有效抑振，并通过设计出的控制器实现对悬架模型的动力学有效跟踪，提升平顺性。提升平顺性。提升平顺性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架拓扑优化设计方法


[0001]本专利技术涉及车辆悬架隔振领域，特别是指一种基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架拓扑优化设计方法。

技术介绍

[0002]应用惯容器装置的新型车辆ISD(Inerter
‑
Spring
‑
Damper)悬架可有效拓展车辆动力学边界，由于其优越的隔振性能受到工程领域的广泛关注。中国专利CN201810895105.6提出一种车辆ISD悬架结构设计与参数优化方法，对比车辆ISD悬架与传统被动悬架的车身加速度、悬架动行程以及轮胎动载荷，可以看出车辆ISD悬架相较于传统被动悬架减振性能更好，可有效抑制车身低频段的共振，但对车身高频段的振动抑制效果并不显著。因此，如何实现车辆ISD 悬架的优化设计，实现宽频域范围内的振动抑制，是工程领域迫切需要解决的瓶颈问题。

技术实现思路

[0003]基于上述原因，本专利技术提供了一种基于功率驱动阻尼的车辆 ISD悬架拓扑优化设计方法。基于可有效抑制中高频段振动的功率驱动阻尼控制策略，通过悬架拓扑优化设计方法，得到可实现宽频域减振的理想的功率驱动阻尼车辆ISD悬架模型。由于理想模型结构复杂，难以应用于实车，因此设计出滑模控制器，以实现对理想模型的动力学跟踪。
[0004]为实现以上专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架拓扑优化设计方法，包括：
[0005]步骤一：建立车辆ISD悬架动力学模型：
[0006][0007]其中m
s
表示车身质量，m
u
表示非簧载质量，k
t
表示支撑弹簧刚度，z
s
表示簧载质量的垂向位移，表示簧载质量的垂向速度，表示簧载质量的垂向加速度，z
u
表示非簧载质量的垂向位移，表示非簧载质量的垂向速度，表示非簧载质量的垂向加速度，z
r
表示路面不平度的垂向输入位移，k1表示主弹簧刚度，T(s)表示被动机械网络的速度
‑
力型传递函数，c
p
表示功率驱动阻尼控制策略阻尼系数；
[0008]步骤二：基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架半主动控制策略求解：
[0009]T(s)表示如下：
[0010]T(s)＝T1(s)+c0[0011]其中，T1(s)为仅包含惯容器和弹簧二类元件组成的拓扑结构阻抗表达式，c0为唯一阻尼元件，c
p
为可控阻尼系数；
[0012]当弹簧和阻尼器吸收的来自簧载质量振动的功率小于释放给非簧载质量的功率时，c
p
为最大值；当弹簧和阻尼器吸收的来自簧载质量振动的功率大于或等于释放给非簧
载质量的功率时，c
p
为最小值；当悬架相对速度等于零且悬架相对位移不为零时，c
p
为最大值与最小值之和的一半；否则，c
p
为弹簧弹性力与悬架相对速度比值的相反数；因此可控阻尼系数c
p
需满足下式：
[0013][0014]其中，c
max
、c
min
分别为设定的最大阻尼系数和最小阻尼系数， c
max
>c
min
>0；
[0015]步骤三：基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架拓扑优化；
[0016]步骤四：基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架分数阶滑模控制器设计。
[0017]进一步地，其中，步骤三具体包括：
[0018]选取路面不平度的位移输入模型：
[0019][0020]其中，u为车速，z
r
(t)为垂向输入位移，w(t)为均值为0的白噪声， G
q
(n0)为路面不平度系数，为路面的不平度的垂向输入速度；
[0021]选取车身加速度均方根值作为优化目标；
[0022]设置设计参数为：θ
2k2b&C
＝(k1,k2,k3,b1,b2,c
p
{c
max
,c
min
})；
[0023]其中，k1、k2、k3为1号弹簧刚度、2号弹簧刚度和3号弹簧刚度，b1、b2为1号惯容器惯质系数和2号惯容器惯质系数；
[0024]将车身加速度均方根值与传统被动悬架车身加速度均方根值比值函数作为粒子群算法的适应度函数，计算粒子群适应度值，得到优化目标函数J及其约束条件：
[0025][0026][0027]其中，ZA(q)、SWS(q)和DTL(q)分别表示功率驱动阻尼车辆ISD 悬架的车身加速度均方根值、悬架动行程均方根值和轮胎动载荷均方根值；ZA
pass
表示传统被动悬架的车身加速度均方根值；对于主弹簧刚度，由于其作为悬架的主要支撑，其下限值无法为零，故取值范围设为[10000,25000]N
·
m
‑1；
[0028]计算得到k时个体极值与k时群体极值其中，k时个体极值为粒子在最优位置所得到的目标函数J的值，k时群体极值为所有粒子的个体极值中的最优值。
[0029]进一步地，进一步地，粒子速度和位置属性的进化是在求全局最优值中的一个更新过程，是粒子群最主要的求解行为，其具体算法为：
[0030][0031]X
k+1
＝X
k
+V
k+1
[0032]其中，ω表示惯性权重，一般取值为[0.8，1.2]；c1和c2表示学习因子或加速度常数；r1和r2表示[0，1]内的随机数；k表示迭代次数；表示k时个体极值；表示k时群体极值；V
k
表示迭代次数为k时粒子的速度；V
k+1
表示迭代次数为k+1时粒子的速度；X
k
表示迭代次数为k时粒子的位置；X
k+1
表示迭代次数为k+1时粒子的位置。
[0033]进一步地，其中，步骤四具体包括：
[0034]被控模型状态方程可表示为：
[0035][0036][0037][0038][0039][0040][0041][0042]其中，b
h
表示机电惯容器滚珠丝杠部分的惯质系数；M表示中间变量；J表示滚珠丝杠式惯容器中飞轮的转动惯量；P表示滚珠丝杠副的导程；状态变量x为被控模型的车身速度、非簧载质量速度、车身位移、非簧载质量位移和路面不平度位移的集合；x
i
代表状态变量 x中第i个状态元素；输出向量y1规定为状态向量；U(t)为由旋转电机产生的主动可控力；d(t)为高斯白噪声序列；f1(x,t)、g1(t)和g2(t)为向量；
[0043]建立基于被动机械网络L
2k2b&C
的功率驱动阻尼车辆ISD悬架参考模型，对应的状态方程可表示为：
[0044本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架拓扑优化设计方法，其特征在于，包括：步骤一：建立车辆ISD悬架动力学模型：其中m
s
表示车身质量，m
u
表示非簧载质量，k
t
表示支撑弹簧刚度，z
s
表示簧载质量的垂向位移，表示簧载质量的垂向速度，表示簧载质量的垂向加速度，z
u
表示非簧载质量的垂向位移，表示非簧载质量的垂向速度，表示非簧载质量的垂向加速度，z
r
表示路面不平度的垂向输入位移，k1表示主弹簧刚度，T(s)表示被动机械网络的速度
‑
力型传递函数，c
p
表示功率驱动阻尼控制策略阻尼系数；步骤二：基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架半主动控制策略求解：T(s)表示如下：T(s)＝T1(s)+c0其中，T1(s)为仅包含惯容器和弹簧二类元件组成的拓扑结构阻抗表达式，c0为唯一阻尼元件，c
p
为可控阻尼系数；当弹簧和阻尼器吸收的来自簧载质量振动的功率小于释放给非簧载质量的功率时，c
p
为最大值；当弹簧和阻尼器吸收的来自簧载质量振动的功率大于或等于释放给非簧载质量的功率时，c
p
为最小值；当悬架相对速度等于零且悬架相对位移不为零时，c
p
为最大值与最小值之和的一半；否则，c
p
为弹簧弹性力与悬架相对速度比值的相反数；因此可控阻尼系数c
p
需满足下式：其中，c
max
、c
min
分别为设定的最大阻尼系数和最小阻尼系数，c
max
>c
min
>0；步骤三：基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架拓扑优化；步骤四：基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架分数阶滑模控制器设计。2.根据权利要求1所述的一种基于功率驱动阻尼的车辆ISD悬架拓扑优化设计方法，其特征在于，其中，步骤三具体包括：选取路面不平度的位移输入模型：其中，u为车速，z
r
(t)为垂向输入位移，w(t)为均值为0的白噪声，G
q
(n0)为路面不平度系数，为路面的不平度的垂向输入速度；选取车身加速度均方根值作为优化目标；
设置设计参数为：θ
2k2b&C
＝(k1,k2,k3,b1,b2,c
p
{c
max
,c
min
})；其中，k1、k2、k3为1号弹簧刚度、2号弹簧刚度和3号弹簧刚度，b1、b2为1号惯容器惯质系数和2号惯容器惯质系数；将车身加速度均方根值与传统被动悬架车身加速度均方根值比值函数作为粒子群算法的适应度函数，计算粒子群适应度值，得到优化目标函数J及其约束条件：法的适应度函数，计算粒子群适应度值，得到优化目标函数J及其约束条件：其中，ZA(q)、SWS(q)和DTL(q)分别表示功率驱动阻尼车辆ISD悬架的车身加速度均方根值、悬架动行程均方根值和轮胎动载荷均方根值；ZA
pass
表示传统被动悬架的车身加速度均方根值；对于主弹簧刚度，由于其作为悬架的主要支撑，其下限值无法为零，故取值范围设为[10000,25...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈钰杰，王锦森，景兴建，杨晓峰，李明，黄霏，吴文胜，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：