一種流體慣容器的非線性模型及其參數確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種流體慣容器的非線性模型及其參數確定方法，特指一種基于多工 況力學性能試驗的非線性流體慣容器模型參數確定方法。
【背景技術】
[0002] 慣容器自2002年由英國劍橋大學Smith教授提出W來，其優越的隔振潛力已經在 車輛懸架、建筑物隔振、火車懸架等各個領域得到證實。目前應用較為廣泛的慣容器裝置有 齒輪齒條式、滾珠絲杠式、液壓-累式及流體式慣容器。然而對于實際應用的慣容器裝置來 說，其實際力學性能受多種多樣的非線性因素的影響，比如齒輪齒條式及滾珠絲杠式慣容 器就包含著背隙、彈性效應、摩擦力等非線性因素的影響。
[0003] 國際PCT專利201080035037.8最早提出了流體慣容器的概念并給出了慣質系數的 推導公式。國外學者通過分析流體動力學的影響機理發現，流體慣容的力學性能主要受寄 生阻尼的影響，且此寄生阻尼效應具有強非線性特點。然而，由于其強非線性因素的影響， 難W建立其精確的數學模型。因此，如何準確掌握流體慣容器的非線性動力學模型及確定 其模型參數成為工程應用中面臨的主要難題。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提出一種流體慣容器的非線性模型及其參數確定方法，從而準 確掌握流體慣容器的動力學特性。
[0005] 為實現W上發明目的，本發明采用的技術方案是：一種流體慣容器的非線性模型 及其參數確定方法，包括W下步驟：
[0006] 步驟1，基于對流體慣容器的力學性能輸出影響機理的分析，首先建立流體慣容器 的非線性模型，所述流體慣容器的非線性模型包括摩擦力模型、阻尼力模型和慣性力模型， 所述Ξ種力學模型的關系為并聯連接；
[0007] 步驟2,根據非線性流體慣容器力學輸出的解析表達式，在不同工況下對流體慣容 器進行力學性能試驗，W獲取模型參數求解所必須的力學信號輸出、激勵輸入位移信號； [000引步驟3,通過力傳感器采集各工況下的力學信號輸出，并通過加權處理獲取其輸出 力幅值的均值信號;通過分析求解的激勵輸入位移信號求取各工況下激勵輸入速度信號； [0009]步驟4,依據非線性流體慣容器力學輸出的解析表達式，建立包含待求解的非線性 模型參數、力學信號輸出和激勵輸入速度信號的模型參數關系矩陣，對非線性模型參數矩 陣進行求解。
[0010]進一步，所述摩擦力模型為庫侖摩擦模型，具體為f = f日sign(v)，式中，f日為摩擦力 的幅值，其大小為定值;sign(v)為符號函數，V為流體慣容器兩端點的相對速度，當v>0時， 其值為-1，當v<0時，其值為1，當v = 0時，其值為0。
[0011]進一步，所述阻尼力模型為非線性阻尼力模型，主要源自于流體的寄生阻尼力與 流經管道與管道口的壓力損失，其大小可用式Fc = Civ2+C2V表示，方向始終與速度方向相 反，V為流體慣容器兩端點的相對速度，Cl為速度平方項的阻尼系數，C2為速度項的阻尼系 數。
[0012] 進一步，所述慣性力模型為理想的線性慣容器模型，具體為：機= ba，b為慣質系 數，可由結構設計參數計算獲得。
[0013] 進一步，所述步驟2包含Ξ種不同的試驗工況，具體為：工況1:輸入端的輸入位移 為Ξ角波形輸入，振幅為Ai，激振頻率為fi;工況2:輸入端的輸入位移為Ξ角波形輸入，振幅 為A2，激振頻率為f 2 ;工況3:輸入端的輸入位移為Ξ角波形輸入，振幅為A3，激振頻率為f 3。 其中，等式Ai = A2=A3與fl = f2 = f3不同時成立。
[0014] 進一步，所述步驟3中的力學信號輸出由激振頭自帶的力傳感器獲得，并對其進行 求均值處理。
[0015] 進一步，所述步驟4中所建立的模型參數關系矩陣為：
[0016] AX=F
[0017] 其中，A為計算得到速度信號組成的矩陣：
[001 引
[0019] X為待求解的參數矩陣：
[0020] X=[f Cl C2]
[0021] F為采集到的力信號矩陣：
[0022] F=化 F2 的]。
[0023] 采用本發明的有益實施效果是：
[0024] 1)所提出的流體慣容器非線性動力學模型包含了庫侖摩擦力模型，非線性阻尼力 模型和理想線性慣性力模型。在理想線性的慣性力模型的基礎之上，并聯了庫侖摩擦力與 流體非線性阻尼力模型，所建立的非線性阻尼力模型全面反應了慣容器內流體流動的動力 學特性，較好的擬合了寄生阻尼效應及對流體慣容器力學輸出的作用規律，可充分反應非 線性因素對其力學性能的影響。
[0025] 2)所提出的流體慣容器非線性模型參數確定方法是依據其力學輸出解析表達式， 且立足于力學性能試驗的基礎上，通過試驗測試檢驗動力學模型構建的有效性。所述不同 工況的力學性能試驗工況簡單，便于開展，且數據采集處理簡便精確，可消除個別奇異數據 的不良影響。相較于傳統建模及參數求解方法，本發明提供的技術方案更精確，更便于工程 應用。相較于基于智能預測算法的模型構建，本發明掌握了具體的模型參數，便于復雜動力 學模型的構建。
【附圖說明】
[0026] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0027] 圖1是一種流體慣容器的非線性動力學模型示意圖。
[0028] 圖2是一種流體慣容器的非線性模型及其參數確定方法流程圖。
[0029] 圖3是Ο.ΙΗζΞ角波輸入下的位移曲線圖。
[0030] 圖4是Ο.ΙΗζΞ角波輸入下的力學輸出曲線圖。
[0031] 圖5是0.甜Ζ正弦輸入下的試驗與仿真對照圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖W及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并 不限于此。
[0033] 如圖1所示，本發明所提出的一種流體慣容器的非線性模型及其參數確定方法，其 非線性動力學模型包括庫侖摩擦力模型，非線性阻尼力模型和理想線性慣性力模型，所述 Ξ種力學模型關系為并聯連接，q為激振頭的位移輸入，f為庫侖摩擦力，b為慣質系數，C為 非線性阻尼系數。
[0034] 其中，庫侖摩擦力模型為：
[0035] f = f〇si 即（V)
[0036] 式中，fo為摩擦力的幅值，其大小為定值。sign(v)為符號函數，V為流體慣容器兩 端點的相對速度，當v>0時，其值為-1，當v<0時，其值為1，當v = 0時，其值為0。
[0037] 非線性阻尼模型主要源自于流體的寄生阻尼力與流經管道與管道口的壓力損失， 其大小可用式Fc = Civ2+C2V表示，方向始終與速度方向相反，V為流體慣容器兩端點的相對 速度，Cl為速度平方項的阻尼系數，C2為速度項的阻尼系數。
[0038] 慣性力模型為理想線性的慣容器模型，具體為:機= ba，b為慣質系數，本實施例中 b為370kg。
[0039] 如圖2所示，其非線性模型參數確定方法包括W下步驟：
[0040] (1)首先，基于對流體慣容器的力學性能輸出影響機理的分析，建立包含庫侖摩擦 力、非線性阻尼力和慣性力在內的非線性流體慣容器動力學模型，并建立非線性流體慣容 器力學輸出的解析表達式為：
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