Ottimizzazione Multi-Obiettivo della Dinamica di Sistema

Analisi di una Sospensione Motociclistica con Schema a Quadrilatero

Multi-Body Simulation and Multi-Objective Optimization Applied to system Dynamics In-Plane Analysis of a Motorcycle Front Suspension
Dynamical performances of two wheeled vehicles depend on the response of each part. Among all, tires and suspensions are the most important sub-systems, because their role is to modulate any force going from the road to the chassis. As a consequence, a deep knowledge of such components, can be the key point to develop better and safer motorcycles.
Multi-Body Simulation is the most suitable approach to perform vehicle dynamics investigation.
By creating parametric models, different configurations can be quickly evaluated, even at the earliest stage of the entire development process. From a business perspective, this means that wrong gateways can be dropped a long time before they lead to costly and useless real prototypes.
These benefits can be further increased by coupling the Multi-Body Simulation software with modeFRONTIER, which automatically plans and drives sets of simulations in order to perform complex tasks such as Design Of Experiment, Parameter Sensitivity Analysis, and Multi-Objective Optimization.
This paper describes a demo application, where modeFRONTIER is asked to identify the parameters of a motorcycle front suspension to deliver more safety, more stability and more riding comfort, for a braking maneuver in straight running. Despite the fact that the research is targeted to a very specific case, the proposed methodology can be straightforwardly extended to any user-defined running condition. Potentially, it is possible to build a single modeFRONTIER environment to optimize different vehicle parts for various maneuver. As expected, for the chose braking maneuver, results highlight a trade-off relationship between the three objectives. A limited set of “elite” designs has been found to simultaneously improve the chosen performance indexes, with respect to the initial configuration. However, such designs do not return great advantages, especially in terms of safety. For this reason, the best suspension is finally picked outside the “elite” group, accepting a slight reduction of stability as compensation for a perceptible increase of safety.
The entire optimization process has evaluated the performances of 2000 different suspensions, playing with 14 parameters. The solution came out after about 2 CPU days on a common PC.

La dinamica dei veicoli a due ruote è legata alle caratteristiche ed al funzionamento dei molteplici sottosistemi, tra cui spiccano per particolare importanza pneumatici e sospensioni. Sono, infatti, questi componenti a modulare la trasmissione delle forze esterne verso il telaio, determinando le qualità ciclistiche globali. La dinamica delle parti menzionate è, peraltro, materia complessa e articolata, su cui le conoscenze possono fare la differenza nell’ambito delle più accese competizioni. La simulazione Multi-Body è un formidabile strumento per arrivare a migliorare le qualità ciclistiche complessive dei motocicli. Ricorrendo alla modellazione parametrica si possono provare virtualmente – ed in tempi ridotti – diverse configurazioni. Inoltre, se la regia delle simulazioni è affidata ad algoritmi di ottimizzazione, è sempre possibile trovare la configurazione di parametri che, nel rispetto dei limiti imposti, produce il miglior comportamento dinamico possibile.

Nell’esempio trattato in questo articolo, il software di ottimizzazione modeFRONTIER è stato collegato ad un modello bidimensionale parametrico di una motocicletta con sospensione anteriore di tipo a quadrilatero telelever.
Lo scopo di migliorare la sospensione anteriore in relazione a molteplici obiettivi tutti definiti nell’ambito della manovra di frenata in moto rettilineo (da 130Km/h a 0Km/h).

Il modello è stato progettato includendo:

• un modello di pneumatico in linea con lo stato dell’arte (formula di Paceijka);
  
• un controllo ABS per assicurare la massima frenata indipendentemente dalla configurazione del veicolo;
  
• sospensioni con elementi elastici non lineari e contributo pneumatico;

Tutti i dati necessari sono stati assunti ingegneristicamente.
La parametrizzazione è stata pensata in modo da assicurare la costanza del passo del veicolo, dell’altezza del baricentro e della distanza di quest’ultimo dall’impronta di contatto della ruota anteriore. Queste scelte servono ad attribuire esclusivamente alla sospensione gli effetti dinamici che si ottengono durante la simulazione di frenata.

L’ottimizzazione è stata impostata definendo:

14 VARIABILI

• 9 grandezze geometriche che governano il layout del quadrilatero della sospensione
  
• 5 grandezze fisiche che governano le proprietà del gruppo molla-ammortizzatore

4 OBIETTIVI

• SICUREZZA (riduzione dello spazio di arresto);
  
• COMFORT (contenimento del moto di beccheggio);
  
• STABILITÀ (limitazione della riduzione di passo);
  
• STABILITÀ (limitazione della riduzione di avancorsa);

Il flusso delle operazioni di calcolo è completamente gestito da modeFRONTIER. Per ciascuna configurazione del veicolo vengono eseguite due simulazioni multi-body in sequenza, ciascuna seguita da operazioni di calcolo esterne, necessarie ad estrarre gli obiettivi dai segnali tempovariabili delle simulazioni.
La ricerca dei design ottimali è stata affidata al consolidato Multi Objective Genetic Algorithm.

In totale, sono stati analizzati 1904 design (corrispondenti ad altrettante sospensioni modificate) impiegando circa 2’30” per ciascuno di essi.
La grande quantità di dati ottenuti è stata quindi post-processata all’interno di modeFRONTIER per estrarre indicazioni di carattere statistico (correlazioni e sensitività) e per scegliere i design che rispondono - nel modo migliore - agli obiettivi prefissati.

Sono stati individuati solo 13 design in grado di migliorare contemporaneamente le prestazioni per tutti gli obiettivi.
Si nota, tuttavia, che nessuna configurazione di questa selezione offre riduzioni apprezzabili dello spazio di arresto.
Poiché l’obiettivo sicurezza è prioritario, il design ottimale va scelto al di fuori di tale gruppo, accettando contestualmente la riduzione di prestazione su uno o più obiettivi (rispetto alla configurazione originale).

Il miglior compromesso è rappresentato dal design 566, che riduce di circa 2m lo spazio di arresto e limita la riduzione dell’avancorsa in appena 1.1 mm. Lo stesso design determina sia la riduzione del passo, sia una aumento del beccheggio in frenata. Verosimilmente questi effetti indesiderati sono accettabili in cambio dei vantaggi insiti negli altri due obiettivi raggiunti; a tale proposito devono essere condotte ulteriori analisi di convalida dei risultati.

In sintesi, questo lavoro esemplifica una metodologia efficace ed innovativa per la progettazione d’insieme in campo automotive. La base dell’approccio utilizzato è l’integrazione della tecnologia Multi-Body con l’ambiente modeFRONTIER. Utilizzando dati realistici ed integrando nel flusso di calcolo ulteriori simulazioni relative a tutte le manovre significative è possibile trovare un ridottissimo numero di configurazioni ottime da sottoporre alla validazione sperimentale finale.

Per maggiori informazioni:
Fabiano Maggio
Resp. Settore Multibody
info@enginsoft.it