包亞杰，張偉社

(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710000)

1 引言

伴隨著全球的現(xiàn)代化發(fā)展，各種便捷的交通工具已經(jīng)成為人們生活中不可分割的一部分，以往對(duì)汽車(chē)的要求僅僅是可以移動(dòng)，遮風(fēng)擋雨。但隨著生活水平的提高，思想境界的改變，人們對(duì)汽車(chē)的要求也不斷增加，除了要保證符合動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)則之外，還要具有穩(wěn)定、安全的性能。車(chē)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能逐漸成為人們所關(guān)注的重點(diǎn)。車(chē)身結(jié)構(gòu)對(duì)汽車(chē)的安全性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等有著非常重要的影響，同時(shí)汽車(chē)的個(gè)性化也能夠通過(guò)汽車(chē)車(chē)身體現(xiàn)出來(lái)。車(chē)身結(jié)構(gòu)承擔(dān)了行駛過(guò)程的大部分負(fù)荷，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度起著重要作用，其直接影響汽車(chē)的結(jié)構(gòu)性能，為此，對(duì)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究非常重要。

傳統(tǒng)的建模方法不但費(fèi)力，還會(huì)消耗大量資源，且效率低，不能節(jié)省成本，針對(duì)上述問(wèn)題，為了提升汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)性能，本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為工作基礎(chǔ)，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，建立動(dòng)力學(xué)方程，期望解決汽車(chē)本身動(dòng)能速率問(wèn)題。

2 車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

汽車(chē)車(chē)身整體由車(chē)身底板、側(cè)圍[1]、頂蓋與后圍、后隔板等幾部分構(gòu)成，具體如圖1所示。

圖1 車(chē)身結(jié)構(gòu)示意圖

車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在滿(mǎn)足造型、總布置和安裝空間的前提下，還需要滿(mǎn)足多種性能指標(biāo)的要求。基于上述要點(diǎn)考慮，設(shè)計(jì)的車(chē)身結(jié)構(gòu)方案如下所示：

第一，前圍板組合件，主要包括上蓋的通風(fēng)板、前上蓋和前圍的上蓋板等，它們通過(guò)前支柱連接，并且為滿(mǎn)足車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度的需要，采用箱形截面結(jié)構(gòu)；

第二，前圍板，前圍板需要保溫、隔聲等材料，在設(shè)計(jì)前圍板時(shí)需要設(shè)置多個(gè)孔，用它們來(lái)安裝各種組合件和部件；

第三，左右側(cè)圍[2]，此次研究的結(jié)構(gòu)為四門(mén)汽車(chē)的側(cè)圍，主要包含加強(qiáng)板、頂蓋測(cè)量?jī)?nèi)板、中內(nèi)柱內(nèi)板、連接板、加強(qiáng)板、門(mén)檻外板、門(mén)檻內(nèi)板、中支柱外板等，上梁采用高強(qiáng)度鋼板沖壓而成；

第四，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)包括座椅、車(chē)身地板以及前圍等，首先要確定座椅的尺寸[3]，使駕駛員的頭部能夠處于一個(gè)舒適的角度，確定車(chē)身頂部的輪廓。汽車(chē)地板的厚度與長(zhǎng)度要與發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)保持在同一水平線。從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，汽車(chē)前圍的裝置直接決定其行駛的速度，確定力學(xué)動(dòng)能后，就可以大致估算出圍板的位置，同時(shí)連接發(fā)動(dòng)機(jī)與腳踏板的線路，利于在行駛中保持正確的方向，提升車(chē)身的穩(wěn)定性；

第五，頂蓋框架，頂蓋框架采用單板沖壓件組成；

第六，發(fā)動(dòng)機(jī)罩，內(nèi)板由薄鋼板設(shè)計(jì)而成，外面板與內(nèi)板間留有2～5mm的間隙，填充吸振與隔音及隔熱材料，減少空氣阻力，增加汽車(chē)整體感；

第七，前翼子板[4]，其為車(chē)身上較大的覆蓋件，用于包容輪胎，安裝時(shí)將前翼子板安裝到前輪處，由0.6～0.8mm厚的高強(qiáng)度鋼板拉延成形；

第八，頂蓋，頂蓋保證曲率較小，并在兩側(cè)設(shè)置流水槽，起到雨水導(dǎo)流作用；

第九，后翼子板，將后翼子板設(shè)置為向外凸出的形式；

第十，行李箱蓋[5]，其由上外板、下外板組成，采用曲面設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足剛性需求。而行李箱蓋上設(shè)有鉸鏈和平衡支撐桿[6]，以保證行李箱蓋開(kāi)出足夠大的角度；

車(chē)身的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要把重點(diǎn)放在行駛的舒適度與內(nèi)部人員的空間上，優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)整體流暢性。除此之外，還需要對(duì)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將在下述步驟進(jìn)行。

3 構(gòu)建動(dòng)力學(xué)方程

以上述設(shè)計(jì)的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，構(gòu)建動(dòng)力學(xué)方程。假設(shè)將車(chē)身看作一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的物體，并且處于一個(gè)坐標(biāo)系中，形成的矩陣存在于系統(tǒng)I中，矩陣r的公式為

(1)

其中，z代表坐標(biāo)點(diǎn)總數(shù)，矩陣可以按照一定的方向自由旋轉(zhuǎn)，將其定義為

(2)

其中，rx，rri，ryi，αi，βi，ri均為坐標(biāo)點(diǎn)。

移動(dòng)的距離與速度都可用矩陣來(lái)表示，與速度相結(jié)合構(gòu)成一個(gè)位移函數(shù)關(guān)系。為了控制車(chē)身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[7]，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)即將產(chǎn)生的誤差進(jìn)行校正。在力學(xué)系統(tǒng)中，如果車(chē)輛處于加速行駛中，那么車(chē)輛行駛的比例積分公式為

(3)

其中，ξ代表空氣中的阻力，Kc代表速度系數(shù)，s代表拉普拉斯因子，ws代表動(dòng)力學(xué)頻率，n代表穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)n的值超過(guò)設(shè)定的范圍，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定乃至崩潰；而n的值過(guò)小，就有可能造成車(chē)身振動(dòng)，方向偏差。所以為了保證車(chē)身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[8]，提高力學(xué)速率，就要在車(chē)身結(jié)構(gòu)中加入一個(gè)不影響車(chē)身結(jié)構(gòu)的濾波處理器，與運(yùn)動(dòng)力學(xué)共同作用，提高結(jié)構(gòu)的可靠性，該濾波器與車(chē)身結(jié)構(gòu)相互協(xié)作運(yùn)行的模型[9]公式為

(4)

其中，Tx代表行駛時(shí)間，其直接決定波動(dòng)周期，但前提條件是比例積分要保證在±40之間，二者的關(guān)聯(lián)公式為

(5)

其中，Kt代表控制器效益；Kd代表比例增益。

除了風(fēng)、雨等外界因素的影響外，車(chē)身的自身結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生干擾，使汽車(chē)在行駛的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)方向錯(cuò)亂，對(duì)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行校正后，會(huì)立即產(chǎn)生不一樣的效果，各項(xiàng)參數(shù)也會(huì)處在一個(gè)可行的范圍之內(nèi)，經(jīng)過(guò)PID控制器的控制后，及時(shí)修改原有的車(chē)身程序，最大程度發(fā)揮出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的作用。

將拉格朗日方程融合入動(dòng)力學(xué)知識(shí)[10]，利用平面坐標(biāo)將方程定義為

(6)

其中，q代表不變的坐標(biāo)向量，Q代表作用力，d代表移動(dòng)的距離?；谑?6)得出T時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的移動(dòng)速度公式為

(7)

(8)

(9)

滿(mǎn)足的相對(duì)條件為

C(q，t)=0

(10)

將上述動(dòng)力學(xué)理論相融合是實(shí)現(xiàn)車(chē)身結(jié)構(gòu)仿真建模的前提條件，通過(guò)構(gòu)建動(dòng)力學(xué)方程不僅可以對(duì)各種類(lèi)型的小型機(jī)動(dòng)車(chē)輛車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，還可以對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警。

4 車(chē)身結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化

對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化主要表現(xiàn)在靈敏性與可靠性分析上[11，12]，主要圍繞停滯狀態(tài)的靈敏度與行駛狀態(tài)的靈敏度兩點(diǎn)進(jìn)行分析，與其相關(guān)的數(shù)據(jù)包括車(chē)身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)參數(shù)與動(dòng)態(tài)參數(shù)，多次試驗(yàn)后得到不同的靈敏度數(shù)值，將其分類(lèi)后進(jìn)行分析，選擇合理的靈敏度參數(shù)，通過(guò)各種變量進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化涉及的變量包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、底板厚度、材料參數(shù)以及工藝參數(shù)等，假如車(chē)身地板的厚度為動(dòng)態(tài)變量，將模型的動(dòng)態(tài)速率與彎扭剛度作為比對(duì)參數(shù)，進(jìn)行靈敏度分析，將結(jié)構(gòu)改變，重新組裝，做出了多學(xué)科優(yōu)化。本文主要利用與車(chē)身的附件相匹配的底板厚度為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化得到其靈敏度參數(shù)，固定汽車(chē)自身的重量與彎曲程度，得到變化的靈敏度。由于靈敏度不同，那么其它參數(shù)也在不斷變化當(dāng)中，假設(shè)底板厚度為X，反應(yīng)速度為A(X)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)響應(yīng)為M(X)，則

(11)

而反應(yīng)速度的靈敏程度S為

(12)

兩者之間的關(guān)系為

(13)

當(dāng)SA-M>0時(shí)，選取其范圍內(nèi)的最大值，那么結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的反應(yīng)速度越快；當(dāng)SA-M<0時(shí)，其絕對(duì)值增加得越快，那么反應(yīng)速度增加得越快。

按照靈敏度參數(shù)的變化規(guī)律，直接選出抗干擾程度最強(qiáng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在約束條件下進(jìn)行性能轉(zhuǎn)換，由此實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，接下來(lái)將通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性。

5 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分兩步進(jìn)行，一部分為仿真，一部分為實(shí)際應(yīng)用。

5.1 仿真結(jié)果分析

仿真數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 仿真數(shù)據(jù)

此次實(shí)驗(yàn)中，利用所研究的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)實(shí)驗(yàn)車(chē)輛車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要對(duì)比車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前與優(yōu)化后的各項(xiàng)性能。

5.1.1 優(yōu)化前后乘員艙B柱加速度曲線對(duì)比

在此部分實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)汽車(chē)車(chē)速為25km/h，對(duì)其正面100%剛性進(jìn)行碰撞仿真，利用所研究的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比優(yōu)化前與優(yōu)化后B柱加速度曲線圖，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后乘員艙B柱加速度曲線對(duì)比

分析上圖2可知，運(yùn)用所研究的模型對(duì)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，B柱加速度峰值有了明顯的改善，說(shuō)明所研究的模型對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)改善效果較好。

5.1.2 優(yōu)化前后車(chē)身壓潰量曲線對(duì)比

對(duì)比原始車(chē)身與所研究模型優(yōu)化后的車(chē)身壓潰量曲線，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后車(chē)身壓潰量曲線對(duì)比

分析上圖3能夠發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有優(yōu)化時(shí)，車(chē)身在20ms時(shí)壓潰量達(dá)到最大值，為55.8mm。優(yōu)化后壓潰量曲線與優(yōu)化前基本沒(méi)有變化，由此能夠證明，優(yōu)化后的車(chē)身結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足目標(biāo)值的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)減重目標(biāo)。

5.1.3 優(yōu)化前后車(chē)身扭轉(zhuǎn)角度對(duì)比

在此基礎(chǔ)上，分析在施加外力后車(chē)身的扭轉(zhuǎn)角度，如圖4所示。

圖4 車(chē)身扭轉(zhuǎn)角度

分析上圖4可知，在幾次實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)所研究模型優(yōu)化后的車(chē)身較優(yōu)化前的車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度均有所提高，證明所研究的模型能夠提高車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)本文方法優(yōu)化后，B柱加速度峰值得到了改善，還達(dá)到了減重與提高車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度的效果。

5.2 實(shí)例分析

在實(shí)例分析中，車(chē)體置于試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)液壓缸對(duì)其前身支架支撐點(diǎn)施加載荷，加載過(guò)程中載荷從1900N、2900N一直施加到6900N，每次加載重復(fù)進(jìn)行三次，取其平均值。試驗(yàn)車(chē)身前后變形數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)車(chē)身左側(cè)縱向位置變形量分析

車(chē)身右側(cè)的縱向位置變形量變化情況如下表3所示：

表3 試驗(yàn)車(chē)身右側(cè)縱向位置變形量分析

分析上述兩個(gè)表能夠發(fā)現(xiàn)，再不同的縱向位置下，在經(jīng)過(guò)所研究的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化后，車(chē)身左側(cè)和右側(cè)變形量較少，在各個(gè)測(cè)點(diǎn)處，變形量都少于結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前。所研究的結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型效果較好的原因是，所研究的模型對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了加強(qiáng)板，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與多學(xué)科優(yōu)化方法對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，從而提高了車(chē)身強(qiáng)度，減少車(chē)身變形量。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了提高車(chē)身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化，利用拉格朗日方程構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并得到了預(yù)期的效果，無(wú)論是仿真還是實(shí)例分析結(jié)果均表明，經(jīng)過(guò)調(diào)整后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比優(yōu)化前的性能大有提升，具體表現(xiàn)在優(yōu)化后B柱加速度峰值得到了降低，車(chē)身扭轉(zhuǎn)角度高以及車(chē)身左側(cè)、右側(cè)縱向位置變形量低等方面。

因研究條件的局限性，車(chē)身結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性還有待進(jìn)一步研究，希望通過(guò)深入的研究為相關(guān)研究領(lǐng)域提供一定的幫助。