CN108344547A - 一种间隙非线性刚度辨识的实验系统及验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间隙非线性刚度辨识的实验系统及验证方法，通过搭建含近零刚度且间隙可连续调节的线性/非线性实验系统；在实验系统不含间隙特性的情况下进行线性振动实验，在给定的激励条件下，测量系统的响应信号；在实验系统含有间隙特性的情况下进行非线性振动实验，在给定的激励条件下，测量系统的响应信号；用待验证间隙非线性刚度辨识方法对非线性振动实验测量数据进行辨识，以实际测量所得间隙量和线性振动实验辨识所得刚度特性为参考基准，将非线性振动实验辨识所得刚度特性与参考基准进行对比，验证间隙非线性刚度辨识方法的可行性与准确性。

Description

一种间隙非线性刚度辨识的实验系统及验证方法

技术领域

本发明属于非线性系统辨识技术领域，具体涉及一种间隙非线性刚度辨识的实验系统及验证方法。

背景技术

由于加工生产过程中的超差，装配误差以及使用磨损等因素，机械装备与结构系统中不可避免的会存在间隙。间隙非线性是一种较为常见的集中式结构非线性，它的存在会改变结构的刚度特性，特别是会对高度运行下的设备产生重要影响。例如，由于工艺和使用磨损等原因，飞机操纵面系统中不可避免的存在间隙，这种间隙非线性可能会引起结构的极限环振荡，对飞行安全造成重大隐患。为在存储、运输工程中最大程度的节省空间，很多导弹都采用了折叠舵面结构，而折叠锁定机构中存在的间隙可能会导致舵面在低于线性颤振临界速度情况下表现出极限环振荡，所引发的结构疲劳问题不容忽视。

随着间隙非线性研究领域的不断拓展，国内外学者对间隙非线性进行了一定的实验研究。例如，比利时学者G.Kerschen等人设计了一种用于间隙非线性研究的分段线性悬臂梁实验装置，国内学者李兵等人设计了一种可调的间隙非线性研究试验台，为间隙非线性研究提供了良好的平台。然而，现有试验台尚不能准确提供真实工况下结构的非线性刚度特性，不具有零刚度特性，间隙不能连续调节，均无法满足间隙非线性刚度辨识方法的实验验证需求。为验证间隙非线性刚度辨识方法的可行性与准确性，需搭建一种含近零刚度且间隙可连续调节的实验系统，并且该系统需要能够准确提供真实工况下结构的非线性刚度特性，可用于对间隙非线性刚度辨识方法进行实验验证。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种间隙非线性刚度辨识的实验系统及验证方法，搭建含近零刚度且间隙可连续调节的线性/非线性实验系统；在实验系统不含间隙特性的情况下进行线性振动实验，在给定的激励条件下，测量系统的响应信号；在实验系统含有间隙特性的情况下进行非线性振动实验，在给定的激励条件下，测量系统的响应信号；用待验证间隙非线性刚度辨识方法对非线性振动实验测量数据进行辨识，以实际测量所得间隙量和线性振动实验辨识所得刚度特性为参考基准，将非线性振动实验辨识所得刚度特性与参考基准进行对比，验证间隙非线性刚度辨识方法的可行性与准确性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种间隙非线性刚度辨识的实验系统，包括间隙结构、激励系统、力传感器、运动传感器及测量与分析系统，所述间隙结构包括简支梁、固定轴、带座轴承、限位螺栓和支撑台体，所述简支梁通过所述固定轴紧固，固定轴固定于所述带座轴承，带座轴承通过螺栓固定于所述支撑台体，所述限位螺栓固定于支撑台体平行于简支梁振动方向的螺纹内，可通过旋转限位螺栓改变间隙大小，限位螺栓夹紧时实验系统表现出线性特性，旋转限位螺栓产生间隙时实验系统表现出非线性特性；所述激励系统为力锤，所述力锤用于输出不同特性的脉冲信号。

进一步的，所述运动传感器包括加速度传感器、速度传感器和位移传感器。

进一步的，所述测量与分析系统用于预设力传感器和运动传感器的采样频率与采样时间，并对力传感器和运动传感器采集得到的激励信号和结构动力学响应信号进行存储、处理与分析。

一种间隙非线性刚度辨识的实验验证方法，基于间隙非线性刚度辨识的实验系统，包括以下步骤：

步骤1，进行线性振动实验，具体包括以下步骤:

步骤1.1，旋转限位螺栓，将简支梁夹紧，则实验系统表现出线性特性；

步骤1.2，将力传感器和运动传感器布置于间隙结构的同一位置，选用锤击法进行实验，持续敲击，使简支梁结构处于力锤的持续激励下；

步骤1.3，启动测量与分析系统，开始数据采集，测量与分析系统将力传感器测量得到的激励信号，运动传感器测量得到的加速度、速度和位移信号分别进行存储；

步骤2，进行非线性振动实验，具体包括以下步骤：

步骤2.1，旋转限位螺栓，使简支梁靠近支撑台体的一端产生间隙，同时测量限位螺栓旋转角度，换算得出间隙大小；

步骤2.2，将力传感器和运动传感器布置于间隙结构的同一位置，选用锤击法进行实验，持续敲击，使简支梁结构处于力锤的持续激励下；

步骤2.3，启动测量与分析系统，开始数据采集，测量与分析系统把力传感器测量得到的激励信号，运动传感器测量得到的加速度、速度和位移信号分别进行存储；

步骤3，将步骤1和步骤2中采集得到的激励、加速度、速度和位移信号进行带通滤波处理，以消除趋势项和高阶项的影响；利用最小二乘线性辨识方法对步骤1所得数据进行辨识，得出其刚度特性作为参考基准；用待验证间隙非线性刚度辨识方法对步骤2所得数据进行辨识，在已获取间隙大小的前提下，将所得结果与参考基准进行对比，验证该间隙非线性刚度辨识方法的可行性与准确性。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明能够实现间隙的连续变化，间隙大小精确可测，且包含近零刚度。

2.本发明通过改变间隙大小和简支梁的长度，能够模拟不同工况下结构的间隙特性，提供多种用于间隙非线性刚度辨识方法验证的实验条件。

3.本发明通过将线性振动实验和非线性振动实验相结合的方式，能够提供真实工况下结构非线性刚度特性的参考基准，完成间隙非线性刚度辨识方法可行性和准确性的实验验证。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中实验系统的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中间隙结构的结构示意图；

图3为本发明中间隙非线性刚度辨识实验验证方法的流程图；

图4为具体实施方式中非线性振动实验辨识得到的刚度特性；

附图标记：1-力传感器，2-加速度传感器，3-速度和位移传感器，4-力锤，5-测量与分析系统，6-计算机，7-简支梁，8-固定轴，9-带座轴承，10-限位螺栓，11-支撑台体

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的与优点，下面通过具体实例并结合附图，说明本发明的具体实施方式。

本发明具体实施例中，间隙非线性刚度辨识的实验系统如图1所示。试验系统包括间隙结构、激励系统(即力锤4)、力传感器1、加速度传感器2、速度和位移传感器3及测量与分析系统5，间隙结构的结构示意图如图2所示，间隙结构包括简支梁7、固定轴8、带座轴承9、限位螺栓10和支撑台体11，简支梁7采用600×50×5.6mm(长×宽×高)的钢质梁，通过线切割的方式将固定轴8切割出一凹槽，简支梁7固定于凹槽之中，固定轴8以过盈配合的方式固定于两个带座轴承9内，再将带座轴承9通过螺栓固定于支撑台体11。限位螺栓10固定于支撑台体11平行于简支梁7振动方向的螺纹内，可通过旋转限位螺栓改变间隙大小。限位螺栓10夹紧时实验系统表现出线性特性，旋转限位螺栓产生间隙时系统表现出非线性特性。支撑台体由钢材焊接而成，为间隙结构提供边界条件。

激励系统为力锤4，用于输出不同特性的脉冲信号，采用PCB^TM的D086C03型冲击力锤。力传感器1、加速度传感器2及速度和位移传感器3分别用于测量力、加速度、速度和位移信号，其中力传感器采用PCB^TM的288D01型机械阻抗传感器，加速度传感器采用PCB^TM的333B30型加速度传感器，速度和位移传感器采用Polytec^TM激光测振仪中的速度和位移传感器。

测量与分析系统5用于预设力传感器1、加速度传感器2及速度和位移传感器3的采样频率与采样时间，并对力传感器1、加速度传感器2及速度和位移传感器3采集得到的激励信号和结构动力学响应信号进行存储、处理与分析。测量与分析系统5选用LMS^TM的SCADAS系统和Polytec^TM的PSV-400-3D系统，并配置一台个人计算机6用于数据的处理及存储。

基于上述实验系统的间隙非线性刚度辨识的实验验证方法包括以下步骤：

步骤1，进行线性振动实验：

步骤1.1，旋转限位螺栓，将简支梁夹紧，则系统表现出线性特性。

步骤1.2，将力传感器和加速度传感器布置于简支梁自由端的中轴线位置，将激光测振仪光束聚焦于相同位置。选用锤击法进行实验，持续敲击，使简支梁结构处于持续激励下。

步骤1.3，启动测量与分析系统5的SCADAS系统和PSV-400-3D系统，开始数据采集，将力传感器测量得到的激励信号，加速度传感器测量得到的加速度信号，速度和位移传感器测量得到的速度和位移信号分别进行存储。

步骤2，进行非线性振动实验：

步骤2.1，旋转限位螺栓，使简支梁靠近支撑台体的一端产生间隙，同时测量限位螺栓旋转角度，换算得出间隙大小(δ＝0.4mm)作为后续间隙非线性刚度辨识的参考基准，如图4所示。

步骤2.2，将力传感器和加速度传感器布置于简支梁自由端的中轴线位置，将激光测振仪光束聚焦于相同位置。选用锤击法进行实验，持续敲击，使简支梁结构处于持续激励下。

步骤2.3，启动测量与分析系统5的SCADAS系统和PSV-400-3D系统，开始数据采集，将力传感器测量得到的激励信号，加速度传感器测量得到的加速度信号，速度和位移传感器测量得到的速度和位移信号分别进行存储。

步骤3，验证间隙非线性刚度辨识方法的可行性与准确性：

以非线性系统时域辨识方法中的恢复力曲面法为例，将其作为待验证的辨识方法，利用本发明中的实验验证方法进行验证。

简支梁的第一阶模态为弯曲模态，如果仅有第一阶模态被激发出来，则简支梁可等效为单自由度系统。分别对步骤1和步骤2中力传感器、加速度传感器与速度和位移传感器采集得到的激励、加速度、速度和位移信号进行10-20Hz的带通滤波处理，消除趋势项和高阶项的影响，仅保留简支梁的第一阶模态。利用最小二乘法对步骤1所测数据进行辨识，得出刚度特性(k＝3603N/m)作为后续间隙非线性刚度辨识的参考基准，如图4所示。利用恢复力曲面法对步骤2所测数据进行辨识，将所得结果与参考基准进行对比，如图4所示(圆点表示间隙非线性刚度的辨识结果，实线表示参考基准)。由图4可知，恢复力曲面法能够较好地对含间隙结构系统的非线性刚度进行辨识。

本发明以含间隙结构为研究对象，可通过连续调节间隙大小或改变简支梁的长度来模拟不同工况下结构的间隙特性，并基于恢复力曲面法较好地实现了间隙结构非线性刚度的辨识。由此可见，本发明所提供的间隙非线性刚度辨识的实验验证方法，技术方案可行，实施途径简明，能对不同类型非线性刚度辨识方法的可行性和准确性进行实验验证。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种间隙非线性刚度辨识的实验系统，其特征在于，包括间隙结构、激励系统、力传感器、运动传感器及测量与分析系统，所述间隙结构包括简支梁、固定轴、带座轴承、限位螺栓和支撑台体，所述简支梁通过所述固定轴紧固，固定轴固定于所述带座轴承，带座轴承通过螺栓固定于所述支撑台体，所述限位螺栓固定于支撑台体平行于简支梁振动方向的螺纹内，可通过旋转限位螺栓改变间隙大小，限位螺栓夹紧时实验系统表现出线性特性，旋转限位螺栓产生间隙时实验系统表现出非线性特性；所述激励系统为力锤，所述力锤用于输出不同特性的脉冲信号。

2.根据权利要求1所述一种间隙非线性刚度辨识的实验系统，其特征在于，所述运动传感器包括加速度传感器、速度传感器和位移传感器。

3.根据权利要求1所述一种间隙非线性刚度辨识的实验系统，其特征在于，所述测量与分析系统用于预设力传感器和运动传感器的采样频率与采样时间，并对力传感器和运动传感器采集得到的激励信号和结构动力学响应信号进行存储、处理与分析。

4.一种间隙非线性刚度辨识的实验验证方法，基于权利要求1所述一种间隙非线性刚度辨识的实验系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，进行线性振动实验，具体包括以下步骤:

步骤1.1，旋转限位螺栓，将简支梁夹紧，则实验系统表现出线性特性；

步骤1.2，将力传感器和运动传感器布置于间隙结构的同一位置，选用锤击法进行实验，持续敲击，使简支梁结构处于力锤的持续激励下；

步骤1.3，启动测量与分析系统，开始数据采集，测量与分析系统将力传感器测量得到的激励信号，运动传感器测量得到的加速度、速度和位移信号分别进行存储；

步骤2，进行非线性振动实验，具体包括以下步骤：

步骤2.1，旋转限位螺栓，使简支梁靠近支撑台体的一端产生间隙，同时测量限位螺栓旋转角度，换算得出间隙大小；

步骤2.2，将力传感器和运动传感器布置于间隙结构的同一位置，选用锤击法进行实验，持续敲击，使简支梁结构处于力锤的持续激励下；

步骤2.3，启动测量与分析系统，开始数据采集，测量与分析系统把力传感器测量得到的激励信号，运动传感器测量得到的加速度、速度和位移信号分别进行存储；

步骤3，将步骤1和步骤2中采集得到的激励、加速度、速度和位移信号进行带通滤波处理，以消除趋势项和高阶项的影响；利用最小二乘线性辨识方法对步骤1所得数据进行辨识，得出其刚度特性作为参考基准；用待验证间隙非线性刚度辨识方法对步骤2所得数据进行辨识，在已获取间隙大小的前提下，将所得结果与参考基准进行对比，验证该间隙非线性刚度辨识方法的可行性与准确性。