簡議基於遺傳演算法的MR減振器多目標最佳化設計論文
簡議基於遺傳演算法的MR減振器多目標最佳化設計論文
磁流變液(magnetorheologicalfluid，MRF)是一種在非磁性載液中新增軟磁性微粒和表面活性分散劑的懸浮液，其粘度可透過改變外加磁場來連續、可逆、寬幅和快速的調節。基於MRF設計的磁流變減振器(MRdamper)由於其結構簡單、響應迅速、工作可靠、能耗低等優點，是目前汽車半主動懸架系統執行機構的一個理想選擇。MR減振器的設計是一個非線性的多目標最佳化問題，傳統的設計方法一般都只考慮單目標且設計過程繁瑣，很難一次就能找到一組最優的設計變數;而遺傳演算法(geneticalgorithm，GA)是將生物進化過程中適者生存規則與群體內部染色體的隨機資訊交換機制相結合的一種高效全域性尋優搜尋演算法。它只要求被最佳化函式是可計算的，不要求其具有連續性及可微性，因此為MR減振器的最佳化設計提供了一條可行的途徑。
筆者以捷達轎車後懸減振器結構和效能要求為基本設計條件，提出了一種基於遺傳演算法的非線性約束多目標最佳化設計方法，製造出MR減振器樣品，進行了試驗研究。
1設計目標
當MR減振器裝入實車時，從減振效能考慮，希望其提供的阻尼力能夠滿足各種工況，阻尼力的可調範圍越大越好;從可控效能考慮，則希望MR減振器的反應時間越小越好，這樣才能保證半主動控制策略有效的工作;而從節能和穩定性考慮，又希望其能耗最小，減少線圈發熱，從而保證MRF工作穩定。同時滿足上述效能的減振器只是一種理想減振器，而事實上各種效能指標會相互制約，而制約的途徑就是MR減振器的結構引數。因此，為了設計出能夠令人滿意的減振器，就必須綜合考慮各目標，並作出適當的折衷。
2設計方案
以一汽大眾生產的捷達系列轎車後懸減振器為參考物件，設計MR減振器的活塞結構簡圖。
MRF須選擇零場粘度低、飽和屈服應力高、工作溫度範圍寬、密度小以及可壓縮性小的材料。
由於MRF在溫度升高時粘度會降低，影響其正常工作。因此從散熱方面考慮，採用單缸結構減振器;為補償在拉壓行程中由活塞兩端有效作用面積不等造成的體積差，採用蓄氣室充氣結構。
使MRF工作在壓力驅動模式下，活塞設計為套筒式結構，則工作缸可選用強度較好的材料而不必考慮磁導;為減小漏磁，則選用矯頑力小的軟磁材料作活塞;活塞套筒與鐵芯在對稱的4個點上焊起來;焊點要儘可能小，以保證縫隙內磁場儘可能大。
磁芯填充材料的選擇非常重要，要求其具有良好的耐熱耐衝擊耐腐蝕耐磨損效能，並且要有良好的抗磁性和絕緣性。
線圈導線的選擇應儘可能選擇內阻小、耐熱及耐壓效能高的銅漆包線。
3最佳化設計
3.1設計條件
(1)根據設計方案確定所設計MR減振器結構為單筒式，上安裝型式為外螺紋，下安裝型式為吊環。
(2)根據捷達轎車後減振器的外型尺寸和佈置尺寸確定所設計的MR減振器外型尺寸(包括工作缸內外徑D，活塞桿半徑Rrod等)和活塞行程S。
(3)採用美國Lord公司產MRF-132LD型磁流變液。根據MRF飽和磁感應強度確定所設計減振器的工作點Bfwork、Hfwork及其對應屈服應力τ，確定其在工作溫度和大剪下率下的零場粘度η。
(4)採用DT4A電工純鐵作為活塞鐵芯及活塞套筒材料。可以得到鐵芯的飽和磁感應強度Bsmax和飽和磁場強度Hsmax。
(5)考慮線圈內阻及繞線等因素，選定銅漆包線型號，確定其標稱直徑dc和外皮直徑do，並結合其安全載流量，設定最大工作電流Imax=1.2A;
(6)確定MR減振器在一定振幅A和頻率f的正弦激勵下活塞的最大速度Vmax。
3.2適應度函式
適應度函式是評價個體優劣的標準，是群體進化過程的依據。考慮到實際中對各效能側重程度的不同，採用規格化線性加權將4個目標函式轉化為適應度函式M(X)。
3.3最佳化變數
MR減振器結構設計的獨立變數為:環形縫隙徑向高度h，活塞套筒內半徑R2，活塞環槽內半徑R3，有效流通區域長度L和非磁極縫隙長度Lo(而線圈匝數N可以透過其他引數求出，這將在第3.7節中討論)
3.4約束函式
MR減振器設計的約束條件有線性約束和非線性約束。線性約束一般可表示為A·X=B，其中X呶設計變數向量。非線性約束主要是由MRF以及磁路的'非線性導致。
3.5設定遺傳運算元
MR減振器的多目標設計是藉助於Matlab7.5的遺傳演算法工具箱來完成的。
設定種群型別是雙精度向量，種群尺度為100，初始種群的範圍是(10-5，1)。
選擇引數是在群體中選擇生命力強的個體產生新的群體的過程。這裡採用剩餘選擇運算元，按照每個個體刻度值的整數部分分配其作為雙親，並隨後在剩餘的小數部分採用輪盤賭選擇方法。
再生引數說明了遺傳演算法怎樣為下一代建立子個體，其中倖存個體數指定將生存到下一代的個體數，這裡設定為10。
變異引數說明遺傳演算法怎樣透過小的隨機數改變種群中的個體而建立變異的子代。由於存在非線性約束函式，變異函式選為自適應函式，它根據父輩個體的尺度值隨機產生個體基因的變異方向和變異量，同時將基因的變異量限定在遺傳演算法設定範圍之內。
交叉引數是模仿生物界自然進化過程，透過將兩個同源染色體進行部分基因的交換而重組，產生兩個新的染色體。這裡採用算術交叉，由雙親的隨機算術平均值產生子代，並位於父母間並與其等距的直線上;設定交叉機率為0.8。
3.6例項最佳化
設定演算法收斂條件是300代，得到最佳化結果。可以看到，經過295代的進化，適應度函式最終收斂於一個最優值Fitnessvalue=1.3086×10-6，而平均適應度與最佳適應度差別較大，這是因為非線性約束條件的存在，在進行交叉變異之後的新個體並不一定滿足約束，就需要產生新個體，因此子代個體就比較離散，也就很難趨於同一基因型。
3.7線圈匝數的確定
由第3.3節所確定的最佳化變數，可以計算得到線圈匝數最小值為286。由於勵磁電流和線圈匝數對磁路效能的影響很大，因此對相同最大工作點、不同匝數下的MR減振器效能進行評價。
可知，由於磁路非線性的存在，鐵芯線圈的時間常數並非恆值，而是隨著電流增大而呈雙曲線減小，因此在低電流低輸出情況下，系統響應會較慢;隨著電流增大，鐵芯線圈的功耗呈拋物線增大;當線圈匝數N增大時，對應相同MRF工作點磁感應強度下的最大工作電流減小，工作區域的時間常數增大，而最大功耗減小。最終確定線圈匝數N取300匝。此時驗算所設計的MR減振器在2Hz激勵，1.2A工作電流下可以達到的效能。
4試驗研究
根據第2節得到的結構引數，根據捷達轎車後懸架內減振器的安裝尺寸(最長行程650±3mm，最短行程445±3mm，總行程205mm等)，設計並試製了MR減振器樣品。其中，充入氮氣壓力為2MPa，使用MRF體積為120mL，實測摩擦力約40N。
採用清華汽車工程開發研究院與北京華谷減振裝置有限公司聯合開發的減振器綜合性能試驗檯對試製的MR減振器進行臺架試驗。試驗環境溫度20℃，正弦激勵振幅±30mm，激振頻率分別為0.5Hz、1Hz、1.5Hz、2Hz、2.5Hz和3Hz(對應最高速度分別為0.094m/s、0.189m/s、0.283m/s、0.377m/s、0.471m/s和0.566m/s)，勵磁電流分別為0、0.2A、0.4A、0.6A、0.8A、1.0A和1.2A，測得MR減振器在不同電流下的示功值。以2Hz時為例，將各電流下的試驗資料減去由充氣壓力導致的偏置力。
可以看到，不管哪個激振頻率下，當勵磁電流增大到1.0A以後，減振器阻尼力增長緩慢，這是因為此時磁路已經接近飽和;亦可以看到理論曲線比實測曲線要顯得更方一些，這主要是因為理論模型中未考慮MRF的滯環、剪下稀化現象及充氣壓力滯環等因素;而圖中零場(I=0)的實測阻尼力均大於理論值，則主要跟活塞流通縫隙的實際加工誤差、摩擦力及活塞元件慣性力等因素有關;隨著電流加大，實測阻尼力與理論值逐漸吻合，這是因為隨可控阻尼力增大，粘性阻尼力和摩擦力所佔比例逐漸減小。當電流I>0.6A，在激振頻率f<2.5Hz時，實測值均低於理論值，這主要與減振器溫升引起阻尼力衰減有關;但當激振頻率大於2.5Hz時，可以發現試驗曲線高於模擬曲線，這是因為隨激振頻率增高，慣性力帶來的影響逐漸明顯。還可以看到，在設計頻率2Hz時，勵磁電流1.2A下實測最大阻尼力可以達到1454N，達到目標值;而動態範圍只達到了3.86，這是因為摩擦力和溫升導致MR減振器工作效能降低。總體來說，理論曲線能夠與試驗曲線較好的吻合。
5結論
(1)筆者綜合考慮了MR減振器實際應用中影響可控效能的多個設計要素，結合Bingham流體模型和電磁理論，提出了基於遺傳演算法的非線性約束多目標最佳化設計方法，並運用到例項設計MR減振器過程中。經過例項設計證明該方法能夠比傳統設計方法更快的獲得滿足設計目標的尺寸引數。
(2)根據實際設計過程總結提出了MR減振器設計方案，參考捷達轎車後減振器要求，利用該方法設計並製造了一款單缸充氣式MR減振器，透過示功試驗對其在不同激振頻率和電流下的效能進行了研究，結果證明試驗曲線與理論設計曲線可以較好地吻合，說明該設計方法是正確有效的。