多層次模糊評價理論在平順性評價中的應用

高 潔，張 軍

（1.大連交通大學機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連交通技師學院，遼寧 大連 116013；3.北京建筑大學機電與車輛工程學院，北京 100044）

1 引言

汽車平順性評價方法中，主觀評價法［1-2］是通過對專門人員主觀反應的統計完成的評價，這種方法對評價者依賴性強，人為因素的制約會導致評價結果偏差較大，且試驗成本較高；客觀評價法［3，4］是通過對車輛振動各物理量的收集，如振幅、頻率、加速度等，經相關標準計算完成的評價，這種方法相對可靠，但容易忽視駕乘人員的感受，造成評價內容不全面、評價結果不準確。此外，以往的平順性評價大多是在單一路況下完成的［5-6］，試驗路況并不能完整的模擬車輛真實的駕乘情況，評價結果也不能很好的體現車輛在復雜行駛環境下的平順性能。因此，探究科學的平順性研究方法，建立合理的綜合評價體系是平順性評價研究的關鍵。

模糊綜合評價法［7-8］是依據隸屬度理論，把定性評價轉化為定量評價，對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。多層次評價法［9-10］則是根據問題的性質以及目標，將問題中所包含的因素劃分為不同層次，形成一個多層次的分析結構模型，確定問題的相對重要權值，最終轉化為數字形式，供決策者進行評價和選擇。汽車平順性綜合評價體系就是基于多層次模糊評價理論，依據研究車輛的相關數據和試驗結果，構建一個結構層次清晰、數學模型簡單、系統性較強的評價模型，用以解決復合工況下的平順性評價問題，具有評價信息全、信度高的特點，是平順性研究的重要依據。

本課題首先建立汽車平順性綜合評價體系，再采用仿真試驗研究方法，建立整車平順性仿真試驗系統，模擬試驗車輛以不同速度通過不同路況的振動情況，最后通過計算分析，得出車輛平順性綜合評價結果。

2 平順性多層次模糊綜合評價體系

基于多層次模糊綜合評價理論，建立平順性綜合評價體系，計算得到車輛平順性綜合評價值，主要過程如下：

2.1 建立模糊評價集

隨機路面工況下，運用五等分法，將人的主觀感覺評價用（0～1）之間的數值量化表示，并對應振動總加權加速度均方根值與人的主觀感覺評價關系［4］，如表1所示。

表1 總加權加速度均方根值與人的主觀感覺之間的關系Tab.1 The Relationship Between the RMS Value of Syn?thetic Weighted Acceleration and Subjective Perception

隨機路面工況下，平順性主客觀評價的各階擬合關系曲線，如圖1所示。

圖1 平順性主客觀評價的各階擬合數據結果（隨機路面工況）Fig.1 The Results of Data Fitting at all Levels of Subjective and Objective Evaluation of Smoothness（Random Road Conditions）

在保證擬合精度要求的基礎上，為精簡計算過程，選擇四次曲線擬合結果，得到平順性能計算的數學模型：

式中：av—車輛振動總加權加速度均方根值，單位m/s2。

脈沖路面工況下，同樣運用五等分法，對應振動計量值VDV與人的主觀感覺之間的關系［11］，如表2所示。

表2 振動計量值VDV與人的主觀感覺之間的關系Tab.2 The Relationship Between the Vibration Value VDV and Subjective Perception

脈沖路面工況下，平順性主客觀評價的各階擬合關系曲線，如圖2所示。

圖2 平順性主客觀評價的各階擬合數據結果（脈沖路面工況）Fig.2 The Results of Data Fitting at All Levels of Subjective and Objective Evaluation of Smoothness（Pulse Road Condition）

選擇三次曲線擬合結果，得到平順性能計算的數學模型：

式中：aVDV—車輛振動總加權計量值，單位m/s2。

2.2 建立模糊關系矩陣R

試驗車輛在n個不同試驗路況和車內m個不同測試點位置的平順性能值，構成一個n×m的關系矩陣R：

式中：rij—車輛第j個測試點在第i個試驗路況時的平順性能值。

2.3 確定各層次因素集和權重集

平順性綜合評價的因素集包括測試點位置和試驗路況。

測試點位置因素集和權重集：

試驗路況因素集和權重集：

2.4 建立分層次模糊關系綜合評價

一級模糊評價：考慮不同測試點位置：B1=APR

二級模糊評價：考慮不同試驗工況：B2=AT

2.5 得到平順性綜合評價值Ez并作出評價分析

依據國標平順性評價方法，建立平順性綜合評價值Ez與人的主觀感受之間的關系以及對應的評價等級，如表3所示。

表3 平順性綜合評價值Ez與人的主觀感受之間的關系、評價等級Tab.3 The Relationship Between Comprehensive Evalua?tion Ez and Subjective Perception、Estimation Scale

平順性綜合評價值Ez為多級評價結果，在本課題中EZ=B2，需依據計算值，對應上表完成最后的評價分析。

3 平順性綜合評價仿真試驗系統

3.1 整車仿真模型

本課題以某型國產SUV車作為仿真試驗對象，并聯合Hyper‐mesh、ANAS、Presys/VPG仿真技術，參照實車參數，建立的整車仿真模型，如圖3所示。

圖3 整車仿真模型Fig.3 Vehicle Simulation Model

整車裝配后，經統計，本課題所建整車非線性仿真模型共有538135 個節點，540720 個單元模塊，其中梁單元32 個、殼單元527149個、實體單元13308個，質量單元231個。經測算，所建模型的總質量為1620.3kg，前軸載荷46%，后軸載荷54%，該數據與實車參數相匹配，符合仿真試驗條件。

3.2 復合路面仿真模型

為了模擬車輛真實的駕乘情況，進行仿真試驗時，試驗車輛以不同車速通過不同路面，具體試驗工況，如表4所示。

表4 試驗工況Tab.4 Test Condition

首先，分別創建隨機平直路面、隨機彎曲路面、脈沖路面，接著，在Presys中調整三個路面的位置，將相鄰的重疊節點捏合，使三個路面共享邊界節點，最后，完成復合路面仿真模型的建立，如圖4所示。

圖4 復合路面仿真模型Fig.4 Composite Pavement Simulation Model

3.3 仿真試驗系統

3.3.1 系統建立

經整車仿真模型的建立，相關連接和各部分接觸的定義以及計算條件的設定后，最終建立平順性仿真試驗系統，如圖5所示。

圖5 仿真試驗系統Fig.5 Simulation Test System

3.3.2 試驗依據

這里參照GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》［4］進行仿真試驗，試驗車輛以不同車速通過復合路況，選取駕駛員座椅面、駕駛員座椅靠背和駕駛員腳部地板面三個測試點，如表5所示。

表5 試驗測試點布置情況Tab.5 Arrangement of Test Points

通過時域和頻域下數據曲線的對比和平順性綜合評價指標的計算，對試驗車輛平順性做出評價分析。

4 仿真試驗結果分析及平順性綜合評價

4.1 仿真試驗結果分析

通過仿真試驗，獲得時域下，試驗車輛各測試點各軸向的振動加速度，將不同試驗結果進行對比，如圖6所示。

圖6 試驗車輛在時域下的振動加速度對比Fig.6 Comparison of Vibration Acceleration of Test Vehicle in Time Domain

從圖6可以看出，以較高速度通過復合路面時，各測試點的振動幅值更大，這與實際駕乘感受一致，驗證了試驗結果的可靠性。

此外，對比該車輛相關試驗數據［12］，相同工況下，復合路面的振動要比單一路面的振動要大，說明在復合路面的作用下振動產生了疊加效果，因此，本課題提出的平順性綜合評價比以往在單一路況下的平順性評價更有意義。

經計算，得到頻域下，試驗車輛各測試點各軸向的振動加速度功率譜密度，將不同試驗結果進行對比，如圖7所示。

圖7 試驗車輛在頻域下的振動加速度功率譜密度對比Fig.7 Comparison of Vibration Acceleration Spectral Density of Test Vehicle in Frequency Domain

從圖7可以看出，兩組試驗中，車輛振動加速度功率譜密度峰值對應的頻率在（2～3）Hz，避開了人體各軸向振動敏感頻率范圍、側傾敏感頻率范圍以及車身固有頻率［13-14］，確保了駕乘人員良好的舒適性以及車輛結構的安全性，但比較接近“人-椅”系統固有頻率［13］，說明車輛長時間在復合路面行駛時，會影響“人-椅”系統的穩定性，進而造成駕乘感降低。試驗數據驗證了所建仿真系統的可靠性。

依據國標平順性評價方法，得到試驗車輛在不同試驗下，各測試點各軸向的加權加速度均方根值和總加權加速度均方根值，如表6所示。

表6 各測試點各軸向的加權加速度均方根值和總加權加速度均方根值Tab.6 The RMS of the Weighted Acceleration of Each Axial Direction and the RMS of the Total Weighted Acceleration of the Test Point

數據表明，每個測試點Z軸（垂直）的加權加速度均方根值保持最大，說明控制車輛垂直方向的振動是獲取良好平順性的關鍵。同時，也證明車速是影響平順性能的直接因素。

4.2 平順性綜合評價

4.2.1 建立模糊關系矩陣

通過平順性評價擬合關系，計算得到試驗車輛在不同試驗方案下，由車輛上3個不同測試點位置在3個不同試驗路況處的平順性能值組成的模糊關系矩陣。

4.2.2 確定各層次因素集和權重集

通過調研并參考相關文獻數據［15-17］，建立本次試驗測試點位置和試驗路況的因素集，如表7所示。

表7 各層次因素集和權重集Tab.7 Factor Set and Weight Set at Each Level

4.2.3 建立分層次模糊關系綜合評價

一級模糊評價：考慮不同測試點位置

4.2.4 依據平順性綜合評價值Ez并作出評價分析

將兩個試驗的平順性綜合評價值進行對比，如表8所示。表8中的數據表明，車輛在復合路面行駛時，相同路面條件下，車輛低速行駛時的平順性綜合評價值較高，駕乘人員的舒適度更好。同時，也能保證車輛在脈沖路況行駛時的車輛結構安全，以及車輛在隨機彎曲路面行駛時的行駛安全。

表8 平順性綜合評價值對比Tab.8 Comparison of Comprehensive Evaluation Values of Ride Comfort

5 結論

（1）基于多層次模糊評價理論，在復合路面工況下，考慮客觀模糊評價集、3個測試點位置和3種路況組成的二層次因素集以及權重集而建立的平順性綜合評價體系，能真實的反映車輛在路面行駛時全過程的平順性能，是一種值得推廣的平順性綜合評價方法。（2）對照平順性綜合評價值Ez與人的主觀感受之間的關系。試驗一中，車輛的平順性綜合評價值為0.9339，平順性能等級為二級“好”，人體有一些不舒服；試驗二中，車輛的平順性綜合評價值為0.9918，平順性能等級為一級“很好”，人體沒有不舒服。本次試驗結果和評價結果可為后續平順性研究提供數據參考。（3）車輛在復合路面上，以降低原有車速的50%行駛可使車輛的平順性綜合評價值提高6.2%，駕乘舒適度和評價等級均得到提升，這驗證了控制車速是獲取良好平順性的關鍵，也是保證行車安全，保護車輛結構安全的關鍵。