多层次模糊评价理论在平顺性评价中的应用

高 洁，张 军

（1.大连交通大学机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连交通技师学院，辽宁 大连 116013；3.北京建筑大学机电与车辆工程学院，北京 100044）

1 引言

汽车平顺性评价方法中，主观评价法［1-2］是通过对专门人员主观反应的统计完成的评价，这种方法对评价者依赖性强，人为因素的制约会导致评价结果偏差较大，且试验成本较高；客观评价法［3，4］是通过对车辆振动各物理量的收集，如振幅、频率、加速度等，经相关标准计算完成的评价，这种方法相对可靠，但容易忽视驾乘人员的感受，造成评价内容不全面、评价结果不准确。此外，以往的平顺性评价大多是在单一路况下完成的［5-6］，试验路况并不能完整的模拟车辆真实的驾乘情况，评价结果也不能很好的体现车辆在复杂行驶环境下的平顺性能。因此，探究科学的平顺性研究方法，建立合理的综合评价体系是平顺性评价研究的关键。

模糊综合评价法［7-8］是依据隶属度理论，把定性评价转化为定量评价，对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。多层次评价法［9-10］则是根据问题的性质以及目标，将问题中所包含的因素划分为不同层次，形成一个多层次的分析结构模型，确定问题的相对重要权值，最终转化为数字形式，供决策者进行评价和选择。汽车平顺性综合评价体系就是基于多层次模糊评价理论，依据研究车辆的相关数据和试验结果，构建一个结构层次清晰、数学模型简单、系统性较强的评价模型，用以解决复合工况下的平顺性评价问题，具有评价信息全、信度高的特点，是平顺性研究的重要依据。

本课题首先建立汽车平顺性综合评价体系，再采用仿真试验研究方法，建立整车平顺性仿真试验系统，模拟试验车辆以不同速度通过不同路况的振动情况，最后通过计算分析，得出车辆平顺性综合评价结果。

2 平顺性多层次模糊综合评价体系

基于多层次模糊综合评价理论，建立平顺性综合评价体系，计算得到车辆平顺性综合评价值，主要过程如下：

2.1 建立模糊评价集

随机路面工况下，运用五等分法，将人的主观感觉评价用（0～1）之间的数值量化表示，并对应振动总加权加速度均方根值与人的主观感觉评价关系［4］，如表1所示。

表1 总加权加速度均方根值与人的主观感觉之间的关系Tab.1 The Relationship Between the RMS Value of Syn⁃thetic Weighted Acceleration and Subjective Perception

随机路面工况下，平顺性主客观评价的各阶拟合关系曲线，如图1所示。

图1 平顺性主客观评价的各阶拟合数据结果（随机路面工况）Fig.1 The Results of Data Fitting at all Levels of Subjective and Objective Evaluation of Smoothness（Random Road Conditions）

在保证拟合精度要求的基础上，为精简计算过程，选择四次曲线拟合结果，得到平顺性能计算的数学模型：

式中：av—车辆振动总加权加速度均方根值，单位m/s2。

脉冲路面工况下，同样运用五等分法，对应振动计量值VDV与人的主观感觉之间的关系［11］，如表2所示。

表2 振动计量值VDV与人的主观感觉之间的关系Tab.2 The Relationship Between the Vibration Value VDV and Subjective Perception

脉冲路面工况下，平顺性主客观评价的各阶拟合关系曲线，如图2所示。

图2 平顺性主客观评价的各阶拟合数据结果（脉冲路面工况）Fig.2 The Results of Data Fitting at All Levels of Subjective and Objective Evaluation of Smoothness（Pulse Road Condition）

选择三次曲线拟合结果，得到平顺性能计算的数学模型：

式中：aVDV—车辆振动总加权计量值，单位m/s2。

2.2 建立模糊关系矩阵R

试验车辆在n个不同试验路况和车内m个不同测试点位置的平顺性能值，构成一个n×m的关系矩阵R：

式中：rij—车辆第j个测试点在第i个试验路况时的平顺性能值。

2.3 确定各层次因素集和权重集

平顺性综合评价的因素集包括测试点位置和试验路况。

测试点位置因素集和权重集：

试验路况因素集和权重集：

2.4 建立分层次模糊关系综合评价

一级模糊评价：考虑不同测试点位置：B1=APR

二级模糊评价：考虑不同试验工况：B2=AT

2.5 得到平顺性综合评价值Ez并作出评价分析

依据国标平顺性评价方法，建立平顺性综合评价值Ez与人的主观感受之间的关系以及对应的评价等级，如表3所示。

表3 平顺性综合评价值Ez与人的主观感受之间的关系、评价等级Tab.3 The Relationship Between Comprehensive Evalua⁃tion Ez and Subjective Perception、Estimation Scale

平顺性综合评价值Ez为多级评价结果，在本课题中EZ=B2，需依据计算值，对应上表完成最后的评价分析。

3 平顺性综合评价仿真试验系统

3.1 整车仿真模型

本课题以某型国产SUV车作为仿真试验对象，并联合Hyper‐mesh、ANAS、Presys/VPG仿真技术，参照实车参数，建立的整车仿真模型，如图3所示。

图3 整车仿真模型Fig.3 Vehicle Simulation Model

整车装配后，经统计，本课题所建整车非线性仿真模型共有538135 个节点，540720 个单元模块，其中梁单元32 个、壳单元527149个、实体单元13308个，质量单元231个。经测算，所建模型的总质量为1620.3kg，前轴载荷46%，后轴载荷54%，该数据与实车参数相匹配，符合仿真试验条件。

3.2 复合路面仿真模型

为了模拟车辆真实的驾乘情况，进行仿真试验时，试验车辆以不同车速通过不同路面，具体试验工况，如表4所示。

表4 试验工况Tab.4 Test Condition

首先，分别创建随机平直路面、随机弯曲路面、脉冲路面，接着，在Presys中调整三个路面的位置，将相邻的重叠节点捏合，使三个路面共享边界节点，最后，完成复合路面仿真模型的建立，如图4所示。

图4 复合路面仿真模型Fig.4 Composite Pavement Simulation Model

3.3 仿真试验系统

3.3.1 系统建立

经整车仿真模型的建立，相关连接和各部分接触的定义以及计算条件的设定后，最终建立平顺性仿真试验系统，如图5所示。

图5 仿真试验系统Fig.5 Simulation Test System

3.3.2 试验依据

这里参照GB/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》［4］进行仿真试验，试验车辆以不同车速通过复合路况，选取驾驶员座椅面、驾驶员座椅靠背和驾驶员脚部地板面三个测试点，如表5所示。

表5 试验测试点布置情况Tab.5 Arrangement of Test Points

通过时域和频域下数据曲线的对比和平顺性综合评价指标的计算，对试验车辆平顺性做出评价分析。

4 仿真试验结果分析及平顺性综合评价

4.1 仿真试验结果分析

通过仿真试验，获得时域下，试验车辆各测试点各轴向的振动加速度，将不同试验结果进行对比，如图6所示。

图6 试验车辆在时域下的振动加速度对比Fig.6 Comparison of Vibration Acceleration of Test Vehicle in Time Domain

从图6可以看出，以较高速度通过复合路面时，各测试点的振动幅值更大，这与实际驾乘感受一致，验证了试验结果的可靠性。

此外，对比该车辆相关试验数据［12］，相同工况下，复合路面的振动要比单一路面的振动要大，说明在复合路面的作用下振动产生了叠加效果，因此，本课题提出的平顺性综合评价比以往在单一路况下的平顺性评价更有意义。

经计算，得到频域下，试验车辆各测试点各轴向的振动加速度功率谱密度，将不同试验结果进行对比，如图7所示。

图7 试验车辆在频域下的振动加速度功率谱密度对比Fig.7 Comparison of Vibration Acceleration Spectral Density of Test Vehicle in Frequency Domain

从图7可以看出，两组试验中，车辆振动加速度功率谱密度峰值对应的频率在（2～3）Hz，避开了人体各轴向振动敏感频率范围、侧倾敏感频率范围以及车身固有频率［13-14］，确保了驾乘人员良好的舒适性以及车辆结构的安全性，但比较接近“人-椅”系统固有频率［13］，说明车辆长时间在复合路面行驶时，会影响“人-椅”系统的稳定性，进而造成驾乘感降低。试验数据验证了所建仿真系统的可靠性。

依据国标平顺性评价方法，得到试验车辆在不同试验下，各测试点各轴向的加权加速度均方根值和总加权加速度均方根值，如表6所示。

表6 各测试点各轴向的加权加速度均方根值和总加权加速度均方根值Tab.6 The RMS of the Weighted Acceleration of Each Axial Direction and the RMS of the Total Weighted Acceleration of the Test Point

数据表明，每个测试点Z轴（垂直）的加权加速度均方根值保持最大，说明控制车辆垂直方向的振动是获取良好平顺性的关键。同时，也证明车速是影响平顺性能的直接因素。

4.2 平顺性综合评价

4.2.1 建立模糊关系矩阵

通过平顺性评价拟合关系，计算得到试验车辆在不同试验方案下，由车辆上3个不同测试点位置在3个不同试验路况处的平顺性能值组成的模糊关系矩阵。

4.2.2 确定各层次因素集和权重集

通过调研并参考相关文献数据［15-17］，建立本次试验测试点位置和试验路况的因素集，如表7所示。

表7 各层次因素集和权重集Tab.7 Factor Set and Weight Set at Each Level

4.2.3 建立分层次模糊关系综合评价

一级模糊评价：考虑不同测试点位置

4.2.4 依据平顺性综合评价值Ez并作出评价分析

将两个试验的平顺性综合评价值进行对比，如表8所示。表8中的数据表明，车辆在复合路面行驶时，相同路面条件下，车辆低速行驶时的平顺性综合评价值较高，驾乘人员的舒适度更好。同时，也能保证车辆在脉冲路况行驶时的车辆结构安全，以及车辆在随机弯曲路面行驶时的行驶安全。

表8 平顺性综合评价值对比Tab.8 Comparison of Comprehensive Evaluation Values of Ride Comfort

5 结论

（1）基于多层次模糊评价理论，在复合路面工况下，考虑客观模糊评价集、3个测试点位置和3种路况组成的二层次因素集以及权重集而建立的平顺性综合评价体系，能真实的反映车辆在路面行驶时全过程的平顺性能，是一种值得推广的平顺性综合评价方法。（2）对照平顺性综合评价值Ez与人的主观感受之间的关系。试验一中，车辆的平顺性综合评价值为0.9339，平顺性能等级为二级“好”，人体有一些不舒服；试验二中，车辆的平顺性综合评价值为0.9918，平顺性能等级为一级“很好”，人体没有不舒服。本次试验结果和评价结果可为后续平顺性研究提供数据参考。（3）车辆在复合路面上，以降低原有车速的50%行驶可使车辆的平顺性综合评价值提高6.2%，驾乘舒适度和评价等级均得到提升，这验证了控制车速是获取良好平顺性的关键，也是保证行车安全，保护车辆结构安全的关键。