面向基础机械元件三角周期表的悬架网络综合设计方法

The suspension system and its design theory and method of network synthesis based on a triangular periodic table of elementary mechanical elements, is a new problem faced by the vehicle system dynamics. According to the electrical-mechanical analogies and the principle of the mechanical network synthesis, the suspension design based on the periodic table is transformed into a network synthesis design. After the vehicle model with robust controller is established, by using the positive real lemma, suspension network synthesis is a described as a problem of design and solution of the real controller with periodic table element constraints. And then, according to the conditions of asymptotic stability of the closed-loop system, the problem boils down to an optimization problem based on BMI constraints. The higher order impedance function of the suspension structure is obtained by solving the optimization problem, based on LMI algorithm combined with genetic algorithm and Path-following algorithm. The method of reducing order and approximation is studied, and the physical realization method of low order impedance function is proposed to reduce the complexity of suspension structure and to determine the specific parameters of the suspension structure and preliminary parameters of the components. On this basis, the dynamic model of suspension system is established to simulate and analyze the performance of the suspension system. And the specific parameters of the components are determined by multi-objective optimization. Finally, the prototype of the suspension system is designed and developed by means of multi-element fusion method. The purpose of this project is to provide theoretical and technical support for the suspension system based on the periodic table and its application.

面向基础机械元件三角周期表的悬架系统设计理论与方法是车辆系统动力学面临的一个新课题。项目根据机电相似性及电路网络综合原理，将面向周期表的悬架设计转化为网络综合设计。建立含鲁棒控制器的车辆模型，运用正实引理将悬架网络综合描述为带周期表元件约束的正实鲁棒控制器设计与求解问题，并根据闭环系统渐近稳定条件将该问题归结为一类基于BMI约束的最优化问题。基于LMI算法结合遗传算法辅以Path-following算法，通过求解该优化问题获得待求悬架结构的高阶阻抗函数。研究其降阶与逼近方法，提出低阶阻抗函数物理实现方法以降低悬架结构的复杂度，并确定悬架具体结构及元件的初步参数。在此基础上，建立悬架系统整车动力学模型进行性能仿真分析，通过多目标优化最终确定元件的具体参数。最后，采用多元件融合方法设计并研制悬架系统样机，进行台架和道路试验验证。项目旨在为面向周期表设计的悬架系统及其应用提供理论和方法支持。

面向基础机械记忆元件的悬架系统设计理论与方法是车辆系统动力学面临的一个新课题。本项目在国家自然科学基金委的资助下以忆惯容器为例开展了含机械记忆元件悬架系统的网络综合设计理论与方法研究。主要研究内容包括：①基于能量方法，建立了记忆元件与半主动元件之间的关系，为揭示基础记忆元件对初始位移的变化具有自适应性奠定了基础。②完成了含基础记忆元件的悬架网络正实H2鲁棒控制器设计与求解，以及悬架阻抗函数物理实现方法研究，提出了含基础记忆元件的悬架设计理论与方法，包括悬架结构综合设计方法和悬架参数工作点综合设计方法。包括悬架结构综合和参数综合两个过程：结构综合即根据机电相似理论，运用电路网络的正实综合方法确定悬架结构。具体步骤包括：首先，结合正实定理，通过建立并求解鲁棒控制器获取悬架系统的阻抗传递函数，然后利用弹簧、阻尼和惯容器三种被动机械元件物理实现求解获得的悬架阻抗传递函数，根据忆惯容器的等效惯质定理，将线性惯容器替换为忆惯容器，从而确定忆惯容器悬架的结构。参数综合主要包括结构参数综合和装配参数综合。首先，选取悬架网络最典型的一些工作点，例如空载、半载和满载工作点，确定悬架在各个工作点的结构参数。再根据实际工程需要确定悬架系统的装配参数，最终获得完整的悬架网络系统参数。③设计了一种液力忆惯容器装置，并基于建立的装置的非线性模型，开展了悬架系统仿真分析与设计方法验证工作。④研制了忆惯容器样机和悬架系统样机，验证了所设计的悬架好的载荷适应性和综合性能，证实了所提出悬架系统网络综合方法的可行性和有效性。研究成果推动了记忆元件悬架系统设计理论与方法的发展，为新型悬架系统及零部件设计提供了理论依据与方法支撑。

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