Optimization of tank vehicle suspension characteristics

Abstract

In the design of a vehicle, the engineer today more than ever has to perform a balancing act of sorts, in an attempt to satisfy the requirements of safety and practicality but also minimize the constructional and operational costs. Efficiency goes hand in hand with optimization and the empirical rules of designing have now been augmented by automated optimization procedures. The complexity of vehicle dynamics problems increases the need for deeper comprehension of the complex theory involved in the movement of a vehicle and the interaction with the environment it moves in. A solid knowledge of vehicle dynamics as well as vibration analysis is required. Moreover, the theoretical approach to the solution of such problems can be enhanced greatly by creating appropriate models which represent the vehicle and its behavior in simulated conditions. The engineer, with the correct implementation and use of such a model is able to predict the behavior of a vehicle, given the applicable conditions, and also optimize certain vehicle parameters in order to achieve a desired goal. The objective of this study is to examine certain aspects of a tri-axle tank-truck’s dynamic behavior under different loading conditions and modify this behavior in a desirable way by optimizing a number of vehicle parameter values. The loading cases examined represent typical conditions for such a vehicle in real-life practice. In particular, it is attempted to determine an optimum set of values from within an allowable range for the vehicle’s suspension characteristics in order to minimize the tank’s roll angle time-response. Different patterns of filling the tank will be examined and the movement of the vehicle will be simulated for different types of roads. The optimization of the vehicle parameters will be take place using both a deterministic quasi-Newton line search method (BFGS) and a stochastic genetic algorithm. The two methods will be compared to each other with regards to global search capabilities and overall convergence characteristics. In the process useful conclusions will be drawn regarding both the nature of the problem as well as the nature of the algorithms.

Κατά τον σχεδιασμό ενός οχήματος, ο μηχανικός σήμερα πρέπει να επιτελέσει το δύσκολο έργο της εύρεσης μίας ισορροπίας μεταξύ των απαιτήσεων ασφάλειας και πρακτικότητας με την ελαχιστοποίηση του κατασκευαστικού και λειτουργικού κόστους. Η αποδοτικότητα είναι συνυφασμένη με την βελτιστοποίηση και οι εμπειρικοί κανόνες σχεδίασης έχουν πλέον επαυξηθεί με αυτοματοποιημένες διαδικασίες βελτιστοποίησης. Η πολυπλοκότητα των προβλημάτων της δυναμικής οχημάτων αυξάνει την ανάγκη για βαθύτερη κατανόηση της σύνθετης θεωρίας που αναλύει την κίνηση ενός οχήματος και την αλληλεπίδρασή του με το περιβάλλον στο οποίο κινείται. Η στιβαρή γνώση δυναμικής οχημάτων και ανάλυσης κραδασμών είναι απαραίτητη. Επιπλέον, η θεωρητική προσέγγιση για την λύση τέτοιων προβλημάτων μπορεί να ενισχυθεί σημαντικά με την δημιουργία κατάλληλων μοντέλων που αντιπροσωπεύουν το όχημα και την συμπεριφορά του σε συνθήκες προσομοίωσης . Ο μηχανικός, με την σωστή εφαρμογή και χρήση ενός τέτοιου μοντέλου, είναι σε θέση να προβλέπει την συμπεριφορά του οχήματος για δεδομένες συνθήκες, και να βελτιστοποιεί παραμέτρους του οχήματος ώστε να επιτυγχάνεται ένας επιθυμητός στόχος. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να εξετάσει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της δυναμικής συμπεριφοράς ενός τριαξονικού βυτιοφόρου οχήματος υπό διαφορετικές συνθήκες φόρτωσης και να τροποποιήσει την δεδομένη συμπεριφορά βελτιστοποιώντας τις τιμές κάποιων από τις παραμέτρους του οχήματος. Οι περιπτώσεις φόρτωσης που εξετάζονται αντιπροσωπεύουν τυπικές συνθήκες ρεαλιστικής πρακτικής για ένα τέτοιο όχημα. Συγκεκριμένα, επιχειρείται να προσδιοριστεί ένα βέλτιστο σύνολο τιμών, εντός επιτρεπτών ορίων, για τα χαρακτηριστικά των αναρτήσεων του οχήματος έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η απόκριση της γωνίας στρέψης του βυτίου. Εξετάζονται διαφορετικές περιπτώσεις πλήρωσης του βυτίου ενώ η κίνηση του οχήματος προσομοιώνεται σε διάφορα είδη οδοστρώματος. Η βελτιστοποίηση των εν λόγω παραμέτρων του οχήματος πραγματοποιείται με την χρήση ντετερμινιστικού quasi-Newton αλγορίθμου αναζήτησης γραμμής (BFGS) και με την χρήση στοχαστικού γενετικού αλγορίθμου. Μεταξύ των δύο μεθόδων πραγματοποιείται σύγκριση όσον αφορά της ικανότητες αναζήτησης του ολικού ελαχίστου της κάθε μίας αλλά και των γενικότερων χαρακτηριστικών της σύγκλισης. Από αυτήν την διαδικασία εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα για την φύση του προβλήματος και την φύση των αλγορίθμων.