基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法

摘要

基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法：包括根据设计要求拟定悬臂的运动范围；通过悬架优化前的悬臂尺寸、转动关节点位坐标建立起悬架数学模型；在数学模型中拟定设计变量，并依据拟定的运动范围对悬臂的运动轨迹进行规划；对悬臂间的长度、角度等线性等式约束和线性不等式约束进行定义；对各杆件间的夹角、辅助杆长等参数进行计算，进而通过优化理论运动轨迹和设计变量轨迹之间的最小值来获得最优变量数据；最后通过拟定的悬架运动轨迹变化和计算求得实际悬臂上参数点位的运动曲线坐标，对运动轨迹进行仿真，复现悬架的轨迹运动。

说明书

技术领域

本发明属于涉及结构优化设计技术领域，尤其涉及基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法。

背景技术

悬架是汽车以及其他相关机械的重要组成结构之一，悬架的设计优劣直接影响汽车整体的平顺性、运动稳定性以及汽车的使用寿命。目前结构优化设计的方向主要有结构轻量化设计、结构参数化优化设计等。汽车结构轻量化包括结构设计轻量化和连接方式轻量化，结构的轻量化主要是通过改变结构材料或结构形式来优化结构的性能，从而实现结构的轻量化；连接方式轻量化是采用多个零件集成的方式，以减少加工工序，减少材料损耗的方式实现结构的轻量化。结构参数优化设计是通过将设计目标参数化，采用优化方法，不断的调整设计变量，使得设计结果不断接近参数化的目标值。结构参数优化设计的内容包括设计变量，目标函数，约束条件等，利用已知的参数求出满足所有约束条件的目标函数最大或最小值的设计变量。

对于悬架的优化，通常的优化目标为轮胎的前束角、外倾角等，考虑的工况主要是在高速、路面较平稳的路面，目的是为了提高车辆的舒适性和操作的稳定性。对于月球车来说，其速度不是需要考虑的因素，也较少有平稳的路面，所以仅优化前束角和外倾角并不能满足月球车的工作需求。同时考虑到月球车在着陆阶段是硬着陆，悬架受到的冲击影响是最严重的，因此在车辆设计过程中,如何合理的设计悬架优化方法来保证月球车悬架系统自身的可靠性显得尤为重要。传统悬架优化方法主要针对结构强度，采用有限元进行优化分析。由于运动学模型仿真很难在优化过程中实现迭代，且需要考虑到月球车着陆过程中保护悬架不受强冲击的破坏，因此需要研究其他方法对运动学模型进行合适、准确的优化。

发明内容

本发明实施例提出了基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法，用以解决现有技术中存在的问题，通过将着陆时月球车悬架受到的冲击作用定为不利条件，优化悬臂的尺寸参数使悬架在最不利因素作用下悬架的运动不超过一定范围，保证其不因着陆、越障过程中动作过大导致其结构发生塑性变形，影响其工作性能及使用寿命。

基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法：包括根据设计要求拟定悬臂的运动范围；通过悬架优化前的悬臂尺寸、转动关节点位坐标建立起悬架数学模型；在数学模型中拟定设计变量，并依据拟定的运动范围对悬臂的运动轨迹进行规划；对悬臂间的长度、角度等线性等式约束和线性不等式约束进行定义；对各杆件间的夹角、辅助杆长等参数进行计算，进而通过优化理论运动轨迹和设计变量轨迹之间的最小值来获得最优变量数据；最后通过拟定的悬架运动轨迹变化和计算求得实际悬臂上参数点位的运动曲线坐标，对运动轨迹进行仿真，复现悬架的轨迹运动。

作为本发明所述的基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法的一种优选方案，其中，所述悬架建模操作包括：对目标函数进行建模，设置约束条件，对优化主程序进行建模，将悬架四杆机构复现运动轨迹仿真函数进行建模，完成所述建模操作。

作为本发明所述的基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法的一种优选方案，其中，非线性规划数学模型可表示为：

q＝l

β

f＝f+(θ(i)-β

其中f为目标函数，其他参数具体含义见图3。

作为本发明所述的基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法的一种优选方案，其中：目标函数包括待优化的设计变量、给定的运动轨迹和目标函数的计算。其中，设计变量包括悬架的杆长、端点坐标等参数；给定的运动轨迹包括夹角变换、轨迹坐标变换等形式；目标函数则包括杆间夹角、杆长度、变量点等过程参数的计算，以及最终收敛的目标参数。

作为本发明所述的基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法的一种优选方案，其中：约束条件包括设计变量、非线性不等式约束和非线性等式约束。设计变量同目标函数，非线性不等式约束和非线性等式约束根据悬架对杆长或角度的设计要求进行设定，根据非线性不等式约束和非线性等式约束影响优化算法对设计变量的优化。

作为本发明所述的基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法的一种优选方案，其中：主程序函数中包含设计变量的初始点位及其上下界、线性约束条件和优化算法主体。初始点位的上下界根据设计要求进行拟定，线性约束条件通过对设计变量间的约束关系进行分析以矩阵的形式表达出来，表达式为：

A×x0＝b；

其中A为悬架的约束条件矩阵，x0为悬架的设计变量矩阵。

作为本发明所述的基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法的一种优选方案，其中：悬架四杆机构复现运动轨迹仿真函数包括读取优化程序设计变量计算结果，定义轨迹运动，计算悬架运动点坐标和复现悬架运动仿真。其中，复现悬架仿真运动通过在图像上定义悬架各关节坐标，根据运动点坐标的每一帧变换来实现运动轨迹的仿真。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明基于非线性规划优化方法，可以针对月球车着陆时最不利的情况，对月球车悬架的主要结构,如上、下悬(叉)臂，主销臂等，通过构建数学参数模型定义悬臂的转动关节位置、悬臂长度、悬臂间夹角，进而设计运动轨迹规划悬架的运动形式，使悬架满足最不利工作条件下的需要。利用以上条件通过算法优化后得到设计参数的优化值。最后，根据优化结果再现悬架的运动轨迹，验证悬架结构的优化结果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明实施例所述的基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法流程图。

图2为本发明实施例所述的基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法的参数设计简化模型图。

图3为本发明实施例所述的基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法的模型参数及含义图

图4为本发明实施例所述的基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法的优化后结果简化模型图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。

在下面的描述中阐述了许多细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

参照图1为本发明的第一个实施例，该实施例提供了基于非线性规划优化方法的月球车悬架结构优化设计方法，包括：

S1：对目标函数linkobjfun进行编写。

具体的编写的步骤如下：

①根据设计要求拟定悬臂的运动范围。将悬架的三个杆长和上下悬臂靠近车架侧的端点距离l1、l2、l3、l4设置为设计变量，构建出四杆机构，并将上悬臂外侧端点B的x、y坐标xb0、yb0和B点到下悬臂的垂线与主销臂长度l2间的夹角δ设置为设计变量。

②根据设计的悬架运动轨迹提取上悬臂与车架间的角度

③利用角度公式计算出β和β0的值，其值为

q＝l

β

④以θ-β-β

f＝f+(θ(i)-β

S2：对约束条件linkconfun进行编写。

约束条件中设计变量和目标函数相同，根据设计要求并结合杆件间的配合关系，设置杆件间的非线性不等式约束c和非线性等式约束ceq，设置的约束将影响主程序中的搜索方向,其数学模型为：

ceq＝[]

S3：对主程序进行编写。

在主程序中首先根据设计要求设置设计变量的初始值x0和上、下界lb、ub，然后设置线性约束条件Ax＝b，x为设计变量，A为设计变量间的约束关系矩阵，最后通过函数求出设计变量的最优值。例如用fmincon算法可表示为：

options＝optimset('largescale','off','TolFun',1e-12,'MaxFunEvals',3000,'MaxIter',1000)

[x,fval]＝fmincon('linkobjfun',x0,A,b,[],[],lb,ub,'linkconfun',options)

S4：对悬架结构轨迹运动仿真函数进行编写。

首先从主程序中读取优化后设计变量的结果值l1、l2、l3、l4、xb0、yb0和δ，然后设置与②中

本发明通过将非线性规划优化方法(NLP)与悬架结构优化问题相结合，求得结构在满足规定的运动轨迹条件下的各设计变量参数值，并对整体结构的运动轨迹进行仿真。

采用本方法对悬架结构进行优化，优化后模型如图3所示，在采用本方法优化后，该结构满足预期的运动轨迹要求，具体的计算结果见表1。

表1：基于非线性规划优化方法对悬架结构优化前后参数的结果对比表

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

最后，需要说明的是，上述实例只为说明本发明技术方案的可行性，虽然已经尽可能描述详尽，但在不偏离权利要求书所限定的范围基础上，某些细节上仍可以改进，望该领域技术人员谅解。