CN106844991B - 气浮式振动控制系统空气弹簧刚度自平衡迭代识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气浮式振动控制系统空气弹簧刚度自平衡迭代识别方法，先借助气浮式振动控制系统中空气弹簧的预估刚度值，施加重力荷载产生位移，并假设在此重力荷载下气浮平台中各空气弹簧的位移与其在平衡状态时变形一致，再基于此得到与之对应的“伪刚度”值，并将“伪刚度”值与预估刚度值进行比较，如前后两次刚度值充分接近，即满足设定的判别条件，则处理过程收敛并结束，输出各空气弹簧的刚度为“伪刚度”值，否则修改各空气弹簧的预估刚度值为“伪刚度”值，并重新处理，直至满足判别条件得到实际平衡状态的空气弹簧刚度。本发明通过自平衡、自迭代、自识别空气弹簧刚度技术，根据设定的平衡状态，可自动识别和计算空气弹簧的刚度。

Description

气浮式振动控制系统空气弹簧刚度自平衡迭代识别方法
技术领域
本发明具体涉及一种气浮式振动控制系统空气弹簧刚度自平衡迭代识别方法。
背景技术
基于空气弹簧的气浮式振动控制系统，目前已广泛应用于微振动控制等领域，空气弹簧的刚度可用于评价气浮式振动控制系统的隔振性能，但由于空气弹簧复杂的力学特性，使得很难准确、有效、快速地获得其平衡状态的刚度。
目前，针对气浮式振动控制系统中空气弹簧刚度的获得，主要依赖数值手段，即通过对隔振体系进行有限元建模，并通过加载进行计算，但该方法存在以下缺陷：
(1)无法准确获得空气弹簧实际刚度：该方法的数值计算结果与实际工程测试的空气弹簧性能相差较大，难以准确评价其固有频率等空气弹簧的隔振特性，使得其模拟结果很难真正地指导实际工程，极大地影响空气弹簧作用的有效发挥。
(2)不利于空气弹簧主动振动控制系统开发：基于被动隔振(无主动控制能源输入)的主动控制系统需要准确获知被动隔振单元的刚度和阻尼等参数，才能设计主动控制器，但该方法很难准确、有效地计算其刚度，使得基于被动隔振的主动控制系统的应用和开发遇到极大地阻碍。
(3)不利于空气弹簧振动控制系统健康、持久性工作。该方法无法在空气弹簧振动控制系统投入使用过程中，快速、准确、有效地计算其刚度，故而无法获得其健康状态，不利于振动控制系统的持久性工作。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供以下技术方案：
一种气浮式振动控制系统空气弹簧刚度自平衡迭代识别方法，其中，包括如下步骤：
第一，建立基于采用空气弹簧支撑的气浮平台的有限元模型；
第二，给上述有限元模型中各空气弹簧的刚度赋初值为[k0]，即ki,j＝[k0]，j＝1，其中，ki,j表示在第j次迭代中第i个弹簧的刚度值；
第三，施加重力荷载进行静力计算，以得到各空气弹簧的位移ui,j，即ui,j表示在第j次迭代中第i个弹簧的位移；
第四，根据上述刚度以及位移计算得到的各空气弹簧支反力，即fi,j＝ki,j(u0-ui,j)；其中，fi,j为在第j次迭代中第i个空气弹簧的支反力；u0为空气弹簧的设计标准高度；
第五，根据实际气浮式振动控制系统确定各空气弹簧在平衡状态时的位移[u]，并进而确定平衡状态下的支反力为ki,j+1(u0-[u])；
第六，假定上述第三步骤中各空气弹簧的变形ui,j与其在平衡状态时的变形一致，即第四步骤中空气弹簧的支反力和第五步骤中平衡状态下的支反力相等，即fi,j＝ki,j(u0-ui,j)，且fi,j＝ki,j+1(u0-[u])，进一步计算则得到各空气弹簧的“伪刚度”值，也即
Figure BDA0001221935840000021
第七，基于上述“伪刚度”值，计算迭代容差值：也即，
Figure BDA0001221935840000022
其中，Nas为气浮平台中空气弹簧的数量，当满足δ≤[δ]时，其中，[δ]为空气弹簧的精度要求，则跳出迭代循环，得到实际平衡状态的空气弹簧刚度；否则，修改各空气弹簧的刚度初值为“伪刚度”值，继续对“伪刚度”值调用步骤三至六，直至满足判别条件得到实际平衡状态的空气弹簧刚度ki＝ki,j+1。
本发明的有益效果：(1)本发明通过自平衡、自迭代、自识别空气弹簧刚度技术，根据设定的平衡状态，可自动识别和计算空气弹簧的刚度，对空气弹簧的固有频率等隔振特性能够进行快速评价，对于基于空气弹簧的振动控制系统发挥良好的隔振作用，具有重要意义；(2)可对气浮式振动控制系统进行健康诊断，本发明可针对气浮式振动控制系统，在有源状态下，进行充、放气，以使其达到设定的限位阀下的平衡状态，此时，所有空气弹簧的刚度经迭代计算后趋于收敛值，满足设定的计算误差；如若存在空气弹簧在实际工作状态下，始终不满足收敛条件，则其实际工作性能达不到要求，可能存在健康状态不良，以对其进行诊断。
附图说明
图1为本发明提供的一种气浮式振动控制系统空气弹簧刚度自平衡迭代识别方法的流程示意图；其中，AS为空气弹簧。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
参照图1，本发明提供了一种气浮式振动控制系统空气弹簧刚度自平衡迭代识别方法，先借助气浮式振动控制系统中空气弹簧的预估刚度值，施加重力荷载产生位移，并假设在此重力荷载下气浮平台中各空气弹簧的位移与其在平衡状态时变形一致，再基于此得到与之对应的“伪刚度”值，并将“伪刚度”值与预估刚度值进行比较，如前后两次刚度值充分接近，即满足设定的判别条件，则处理过程收敛并结束，输出各空气弹簧的刚度为“伪刚度”值，否则修改各空气弹簧的预估刚度值为“伪刚度”值，并重新处理，具体包括如下步骤：
第一，建立基于采用空气弹簧支撑的气浮平台的有限元模型；
参照气浮平台的结构，利用有限元软件建立基于采用空气弹簧支撑的气浮平台的有限元模型，具体的建模过程本领域普通技术人员可以根据现有技术进行，其中，在进行空气弹簧建模过程中，空气弹簧中压缩空气要尽可能的模拟接近现实工况下的压缩空气，建立的气浮平台有限元模型尽可能的符合结构上的要求，并可通过有限元理论基础，合理的简化模型结构，在保证计算精度的同时缩短计算时间。
第二，给上述有限元模型中各空气弹簧的刚度赋初值为[k0]，即ki,j＝[k0]，j＝1，其中，ki,j表示在第j次迭代中第i个弹簧的刚度值；
首先，预估气浮式振动控制系统中所有空气弹簧的刚度值，其可以根据用于支撑的空气弹簧的直径、高度以及限位阀位置进行确定，或者也可根据传统方法数值模拟结果进行确定，则得到气浮式振动控制系统中所有空气弹簧的刚度均为[k0]。
在本发明中，将所有空气弹簧的刚度均赋初值为上述预估的空气弹簧的刚度[k0]，即ki,j＝[k0]，j＝1，其中，ki,j表示在第j次迭代中第i个弹簧的刚度值；
第三，施加重力荷载进行静力计算，以得到各空气弹簧的位移ui,j，即ui,j表示在第j次迭代中第i个弹簧的位移；
在实际工程中，空气弹簧在气浮式振动控制系统工作过程中，通过有源泵装置，不断充、放气，并最终达到设定的限位阀位置以后，到达平衡状态。在本发明中，根据相关的标准及现有方法，利用分析有限元软件模拟空气弹簧的刚度试验。
由空气弹簧设计标准高度开始，对气浮平台施加重力荷载，其中，重力荷载的大小为空气弹簧的设计载重，然后提取在此重力荷载下气浮平台中各空气弹簧的位移ui,j。
第四，根据上述刚度以及位移计算得到的各空气弹簧支反力，即fi,j＝ki,j(u0-ui,j)；
其中，fi,j为在第j次迭代中第i个空气弹簧的支反力；
u0为空气弹簧的设计标准高度；
第五，根据实际气浮式振动控制系统确定各空气弹簧在平衡状态时的位移[u]，并进而确定平衡状态下的支反力为ki,j+1(u0-[u])；
第六，假定上述第三步骤中在重力荷载下气浮平台中空气弹簧的变形和各空气弹簧在平衡状态时的变形一致，则每次计算得到的各空气弹簧支反力与在平衡状态下的支反力相等，即fi,j＝ki,j(u0-ui,j)，且fi,j＝ki,j+1(u0-[u])，则可得到各空气弹簧的“伪刚度”值，也即：
Figure BDA0001221935840000051
第七，通过容差值进行判别，在本发明中，规定了空气弹簧在迭代计算过程中搜寻目标刚度的判别条件，即：δ≤[δ]；
其中，[δ]为空气弹簧的精度要求，本领域普通技术人员可以根据需要进行确定；
δ为基于上述“伪刚度”值，计算得到的迭代容差值，即
Figure BDA0001221935840000061
其中，Nas为气浮平台中空气弹簧的数量；
当迭代计算过程中，满足δ≤[δ]时，则跳出迭代循环，输出计算刚度值，得到实际平衡状态的空气弹簧刚度；否则修改各空气弹簧的刚度初值为“伪刚度”值，继续对“伪刚度”值调用步骤三至六，直至满足判别条件，得到实际平衡状态的空气弹簧刚度ki，更新有限元模型中待求空气弹簧的刚度值ki＝ki,j+1。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种气浮式振动控制系统空气弹簧刚度自平衡迭代识别方法，其中，包括如下步骤：
第一，建立基于采用空气弹簧支撑的气浮平台的有限元模型；
第二，给上述有限元模型中各空气弹簧的刚度赋初值为[k0]，即ki,j＝[k0]，j＝1，其中，ki,j表示在第j次迭代中第i个弹簧的刚度值；
第三，施加重力荷载进行静力计算，以得到各空气弹簧的位移ui,j，即ui,j表示在第j次迭代中第i个弹簧的位移；
第四，根据上述刚度以及位移计算得到的各空气弹簧支反力，即fi,j＝ki,j(u0-ui,j)，其中，fi,j为在第j次迭代中第i个空气弹簧的支反力；u0为空气弹簧的设计标准高度；
第五，根据实际气浮式振动控制系统确定各空气弹簧在平衡状态时的位移[u]，并进而确定平衡状态下的支反力为ki,j+1(u0-[u])；
第六，假定第四步骤中空气弹簧的支反力和第五步骤中平衡状态下的支反力相等，即fi,j＝ki,j(u0-ui,j)，且fi,j＝ki,j+1(u0-[u])，进一步计算则得到各空气弹簧的“伪刚度”值，也即
Figure FDA0002357832760000011
第七，基于上述“伪刚度”值，计算迭代容差值：也即，
Figure FDA0002357832760000012
其中，Nas为气浮平台中空气弹簧的数量，当满足δ≤[δ]时，其中，[δ]为空气弹簧的精度要求，则跳出迭代循环，得到实际平衡状态的空气弹簧刚度；否则，修改各空气弹簧的刚度初值为“伪刚度”值，继续对“伪刚度”值调用步骤三至六，直至满足判别条件得到实际平衡状态的空气弹簧刚度ki＝ki,j+1。
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