改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車車身結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模分析

包亞杰，張偉社

(長安大學(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，以往對汽車的要求僅僅是可以移動，遮風(fēng)擋雨。但隨著生活水平的提高，思想境界的改變，人們對汽車的要求也不斷增加，除了要保證符合動力學(xué)的基本規(guī)則之外，還要具有穩(wěn)定、安全的性能。車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能逐漸成為人們所關(guān)注的重點。車身結(jié)構(gòu)對汽車的安全性、動力性、經(jīng)濟(jì)性等有著非常重要的影響，同時汽車的個性化也能夠通過汽車車身體現(xiàn)出來。車身結(jié)構(gòu)承擔(dān)了行駛過程的大部分負(fù)荷，對結(jié)構(gòu)剛度起著重要作用，其直接影響汽車的結(jié)構(gòu)性能，為此，對汽車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究非常重要。

傳統(tǒng)的建模方法不但費力，還會消耗大量資源，且效率低，不能節(jié)省成本，針對上述問題，為了提升汽車車身結(jié)構(gòu)性能，本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為工作基礎(chǔ)，對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，建立動力學(xué)方程，期望解決汽車本身動能速率問題。

2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

汽車車身整體由車身底板、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 車身結(jié)構(gòu)示意圖

車體結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在滿足造型、總布置和安裝空間的前提下，還需要滿足多種性能指標(biāo)的要求?；谏鲜鲆c考慮，設(shè)計的車身結(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，它們通過前支柱連接，并且為滿足車身扭轉(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)計前圍板時需要設(shè)置多個孔，用它們來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)為四門汽車的側(cè)圍，主要包含加強(qiáng)板、頂蓋測量內(nèi)板、中內(nèi)柱內(nèi)板、連接板、加強(qiáng)板、門檻外板、門檻內(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舒適的角度，確定車身頂部的輪廓。汽車地板的厚度與長度要與發(fā)動機(jī)和轉(zhuǎn)動系統(tǒng)保持在同一水平線。從動力學(xué)的角度來看，汽車前圍的裝置直接決定其行駛的速度，確定力學(xué)動能后，就可以大致估算出圍板的位置，同時連接發(fā)動機(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)動機(jī)罩，內(nèi)板由薄鋼板設(shè)計而成，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，增加汽車整體感；

第七，前翼子板[4]，其為車身上較大的覆蓋件，用于包容輪胎，安裝時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，滿足剛性需求。而行李箱蓋上設(shè)有鉸鏈和平衡支撐桿[6]，以保證行李箱蓋開出足夠大的角度；

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

3 構(gòu)建動力學(xué)方程

以上述設(shè)計的汽車車身結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，構(gòu)建動力學(xué)方程。假設(shè)將車身看作一個自由運動的物體，并且處于一個坐標(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。

移動的距離與速度都可用矩陣來表示，與速度相結(jié)合構(gòu)成一個位移函數(shù)關(guān)系。為了控制車身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[7]，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對即將產(chǎn)生的誤差進(jìn)行校正。在力學(xué)系統(tǒng)中，如果車輛處于加速行駛中，那么車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代表動力學(xué)頻率，n代表穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)n的值超過設(shè)定的范圍，就會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定乃至崩潰；而n的值過小，就有可能造成車身振動，方向偏差。所以為了保證車身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[8]，提高力學(xué)速率，就要在車身結(jié)構(gòu)中加入一個不影響車身結(jié)構(gòu)的濾波處理器，與運動力學(xué)共同作用，提高結(jié)構(gòu)的可靠性，該濾波器與車身結(jié)構(gòu)相互協(xié)作運行的模型[9]公式為

(4)

其中，Tx代表行駛時間，其直接決定波動周期，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，車身的自身結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生干擾，使汽車在行駛的過程中會出現(xiàn)方向錯亂，對力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行校正后，會立即產(chǎn)生不一樣的效果，各項參數(shù)也會處在一個可行的范圍之內(nèi)，經(jīng)過PID控制器的控制后，及時修改原有的車身程序，最大程度發(fā)揮出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對車身結(jié)構(gòu)的作用。

將拉格朗日方程融合入動力學(xué)知識[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代表移動的距離?；谑?6)得出T時間段內(nèi)產(chǎn)生的移動速度公式為

(7)

(8)

(9)

滿足的相對條件為

C(q，t)=0

(10)

將上述動力學(xué)理論相融合是實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)仿真建模的前提條件，通過構(gòu)建動力學(xué)方程不僅可以對各種類型的小型機(jī)動車輛車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，還可以對故障進(jìn)行預(yù)警。

4 車身結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化

對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(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)的靈敏度兩點進(jìn)行分析，與其相關(guān)的數(shù)據(jù)包括車身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)參數(shù)與動態(tài)參數(shù)，多次試驗后得到不同的靈敏度數(shù)值，將其分類后進(jìn)行分析，選擇合理的靈敏度參數(shù)，通過各種變量進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

車身結(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，假如車身地板的厚度為動態(tài)變量，將模型的動態(tài)速率與彎扭剛度作為比對參數(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。本文主要利用與車身的附件相匹配的底板厚度為設(shè)計變量，通過自身結(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，選取其范圍內(nèi)的最大值，那么結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的反應(yīng)速度越快；當(dāng)SA-M<0時，其絕對值增加得越快，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，由此實現(xiàn)汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，接下來將通過實驗來驗證該方法的有效性。

5 實驗對比

為驗證基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車車身結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型的有效性，進(jìn)行實驗，實驗分兩步進(jìn)行，一部分為仿真，一部分為實際應(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)

此次實驗中，利用所研究的汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對實驗車輛車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要對比車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前與優(yōu)化后的各項性能。

5.1.1 優(yōu)化前后乘員艙B柱加速度曲線對比

在此部分實驗中，假設(shè)汽車車速為25km/h，對其正面100%剛性進(jìn)行碰撞仿真，利用所研究的汽車車身結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型對汽車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對比優(yōu)化前與優(yōu)化后B柱加速度曲線圖，對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后乘員艙B柱加速度曲線對比

分析上圖2可知，運用所研究的模型對汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，B柱加速度峰值有了明顯的改善，說明所研究的模型對車身結(jié)構(gòu)改善效果較好。

5.1.2 優(yōu)化前后車身壓潰量曲線對比

對比原始車身與所研究模型優(yōu)化后的車身壓潰量曲線，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后車身壓潰量曲線對比

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

5.1.3 優(yōu)化前后車身扭轉(zhuǎn)角度對比

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

圖4 車身扭轉(zhuǎn)角度

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

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

5.2 實例分析

在實例分析中，車體置于試驗臺上，通過液壓缸對其前身支架支撐點施加載荷，加載過程中載荷從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。試驗車身前后變形數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示。

表2 試驗車身左側(cè)縱向位置變形量分析

車身右側(cè)的縱向位置變形量變化情況如下表3所示：

表3 試驗車身右側(cè)縱向位置變形量分析

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

6 結(jié)束語

為了提高車身結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，本文設(shè)計了一個基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車車身結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)對車身結(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，無論是仿真還是實例分析結(jié)果均表明，經(jīng)過調(diào)整后的結(jié)構(gòu)設(shè)計相比優(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，車身扭轉(zhuǎn)角度高以及車身左側(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，希望通過深入的研究為相關(guān)研究領(lǐng)域提供一定的幫助。