CN110989497B - 基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法及系统，包括：步骤1：建立产品仿真模型，对产品仿真模型进行模态分析；步骤2：确定一种激励点位置组合，确定该激励点位置组合下振动单元的频响矩阵；步骤3：确定一种控制点组合，根据载荷识别矩阵反求激励点的加载载荷，获取激励点加载载荷信息；步骤4：求解产品上控制点及参考点处的响应谱及均方根值，获取响应谱信息、均方根值信息；步骤5：进行所有控制点与激励点位置组合的仿真计算，进行所有控制点与激励点位置组合的迭代计算；步骤6：进行控制组合评定，获取最优控制组合选择结果信息。本发明能够保证了试验控制效果，提升控制精度。

Description

基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法及系统
技术领域
本发明涉及控制组合领域，具体地，涉及一种基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法及系统。
背景技术
尽管多轴多激励振动试验在我国已有了多年的应用，并在理论上有诸多的优点，其应用范围也比较广泛，但一些技术难题仍阻碍着多轴多激励振动试验技术工程化的应用效果，使得多点激励振动试验技术在工程实际应用上并非十分完美，存在着以下一些问题需要解决。其中最主要的问题即当前多轴多激励振动试验的控制效果与控制精度较差。在针对特定产品开展多轴向多激励点振动控制时，影响试验控制效果的因素与单点激励振动试验相比明显增加，其中包括振动台数量、激励点位置、控制点位置、振动夹具、试验悬挂系统、振动台之间的耦合特性、控制信号之间的相干性等；另外，控制算法针对的是一个高度耦合、高阶弹性体和宽频带的控制问题，在理论和实践上都存在很大的难度，使得多点激励振动试验的控制算法与单点激励振动试验的控制算法相比难度明显增加。目前在工程实施上以上问题还没有完全解决，所以对于这类试验对象进行多轴向多点激励振动试验时，目前振动响应的控制精度并不理想，低频部分尚能保持在合理的范围之内，但是高频部分失真比较严重，高频部位的振动响应控制容差往往超过±8dB，某些情况下甚至超过±10dB，远远超过国军标对单点激励振动试验的要求，使得振动试验效果不理想。而且多轴向多点激励振动试验中仅能保证产品上主要关键部位的响应满足复现使用过程中振动环境的要求，对于产品其他部位仍不能很好的进行振动环境模拟。使得多点激励振动试验虽然能够较好的解决单点激励振动试验中的过试验与欠试验等问题，但是仍然无法达到较好的复现导弹实际使用的振动环境的目的。综上所述，单纯的掌握多轴多激励振动试验方法并不能有效应用到产品检验当中，需要寻找合适的方法针对多轴多激励振动试验控制效果进行优化，提高控制精度，保证振动控制效果。
专利文献CN106556501A公开了一种基于疲劳损伤等效分析的多轴振动试验条件裁剪方法包括：确定产品关键部位上的某一点作为考核点，计算该点在单轴依次振动下主振方向的累积损伤量，将该损伤量作为三轴振动时该点的损伤量，利用疲劳损伤计算方法反推出该点在三轴随机振动时应有的等效应力值，该点在裁剪前三轴振动时的等效应力，利用升谱和降谱以及平直谱计算公式计算出裁剪前控制谱的均方根值，先由线性系统的比值关系的等式求得裁剪后控制谱加速度功率谱的均方根值，再通过升谱和降谱以及平直谱计算公式反推，得出裁剪后的控制谱。该专利仅仅涉及单纯的多轴多激励振动试验方法，在“提高控制精度，保证振动控制效果”上仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法及系统。
根据本发明提供的一种基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法，包括：步骤1：建立产品仿真模型，对产品仿真模型进行模态分析，获取模态分析结果信息；步骤2：根据模态分析结果信息，确定一种激励点位置组合，根据白噪声激励法确定该激励点位置组合下振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息；步骤3：确定一种控制点组合，根据载荷识别矩阵反求激励点的加载载荷，获取激励点加载载荷信息；步骤4：求解产品上控制点及参考点处的响应谱及均方根值，获取响应谱信息、均方根值信息；步骤5：根据“控制变量法”的思想，进行所有控制点与激励点位置组合的仿真计算，进行所有控制点与激励点位置组合的迭代计算；步骤6：根据试验要求参数信息，进行控制组合评定，获取最优控制组合选择结果信息，根据最优控制组合选择结果信息进行多轴多激励振动试验。
优选地，步骤2包括：步骤2.1：确定该产品的在开展多轴多激励振动试验时的一种激励点位置组合；步骤2.2：采用白噪声激励法提取在该激励点位置组合情况下的白噪声响应，组建该多轴多激励振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息。
优选地，所述步骤3包括：步骤3.1：确定一种控制点组合方式，并使产品上选定的控制点分别满足预设控制谱；步骤3.2：由多轴多激励振动单元载荷识别矩阵，反求激励点处加载的载荷，获取激励点加载载荷信息。
优选地，所述步骤4包括：步骤4.1：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出产品仿真模型上控制点的响应谱与均方根值，获取控制点响应谱信息、控制点均方根值信息；步骤4.2：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出所有参考点处的响应谱与均方根值，获取参考点处响应谱信息、参考点处均方根值信息；步骤4.3：根据控制点响应谱信息、控制点均方根值信息、参考点处响应谱信息及参考点处均方根值信息，获取响应谱信息、均方根值信息。
优选地，所述步骤5包括：步骤5.1：在同一种激励点位置组合下进行所有控制点组合方式的仿真计算；步骤5.2：继续进行其他激励点位置组合方式的迭代计算，直至所有激励点位置组合方案均仿真完毕。
根据本发明提供的一种基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择系统，包括：模块1：建立产品仿真模型，对产品仿真模型进行模态分析，获取模态分析结果信息；模块2：根据模态分析结果信息，确定一种激励点位置组合，根据白噪声激励法确定该激励点位置组合下振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息；模块3：确定一种控制点组合，根据载荷识别矩阵反求激励点的加载载荷，获取激励点加载载荷信息；模块4：求解产品上控制点及参考点处的响应谱及均方根值，获取响应谱信息、均方根值信息；模块5：根据“控制变量法”的思想，进行所有控制点与激励点位置组合的仿真计算，进行所有控制点与激励点位置组合的迭代计算；模块6：根据试验要求参数信息，进行控制组合评定，获取最优控制组合选择结果信息，根据最优控制组合选择结果信息进行多轴多激励振动试验。
优选地，模块2包括：模块2.1：确定该产品的在开展多轴多激励振动试验时的一种激励点位置组合；模块2.2：采用白噪声激励法提取在该激励点位置组合情况下的白噪声响应，组建该多轴多激励振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息。
优选地，所述模块3包括：模块3.1：确定一种控制点组合方式，并使产品上选定的控制点分别满足预设控制谱；模块3.2：由多轴多激励振动单元载荷识别矩阵，反求激励点处加载的载荷，获取激励点加载载荷信息。
优选地，所述模块4包括：模块4.1：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出产品仿真模型上控制点的响应谱与均方根值，获取控制点响应谱信息、控制点均方根值信息；模块4.2：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出所有参考点处的响应谱与均方根值，获取参考点处响应谱信息、参考点处均方根值信息；模块4.3：根据控制点响应谱信息、控制点均方根值信息、参考点处响应谱信息及参考点处均方根值信息，获取响应谱信息、均方根值信息。
优选地，所述模块5包括：模块5.1：在同一种激励点位置组合下进行所有控制点组合方式的仿真计算；模块5.2：继续进行其他激励点位置组合方式的迭代计算，直至所有激励点位置组合方案均仿真完毕。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用逆问题求解的数值模拟算法以及控制变量方法，完成多轴多激励振动试验的多种控制点与激励点位置组合方式的迭代仿真，能够有效提高多轴多激励最优控制组合方式的确定效率；
2、本发明能够提升有限元计算的准确度，并且大幅降低了长期以来通过大量摸底试验确定最优组合方式的时间，减少产品振动应力损伤，节约试验成本；
3、本发明能够保证了试验控制效果，提升控制精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的一种基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法，包括：步骤1：建立产品仿真模型，对产品仿真模型进行模态分析，获取模态分析结果信息；步骤2：根据模态分析结果信息，确定一种激励点位置组合，根据白噪声激励法确定该激励点位置组合下振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息；步骤3：确定一种控制点组合，根据载荷识别矩阵反求激励点的加载载荷，获取激励点加载载荷信息；步骤4：求解产品上控制点及参考点处的响应谱及均方根值，获取响应谱信息、均方根值信息；步骤5：根据“控制变量法”的思想，进行所有控制点与激励点位置组合的仿真计算，进行所有控制点与激励点位置组合的迭代计算；步骤6：根据试验要求参数信息，进行控制组合评定，获取最优控制组合选择结果信息，根据最优控制组合选择结果信息进行多轴多激励振动试验。
由于传统的多轴多激励试验最优控制组合方式的确定需要通过大量摸底试验的方式进行逐一验证，试验耗时长，振动次数与时间久，不仅对产品造成了较大的应力损伤，且成本较高。本发明提供基于迭代优化的多轴多激励振动最优控制组合计算方法，利用逆问题求解的数值模拟算法以及控制变量方法，快速完成所有控制点组合与激励点组合方式的迭代计算，实现试验效率的降低以及试验成本的节约。
优选地，步骤2包括：步骤2.1：确定该产品的在开展多轴多激励振动试验时的一种激励点位置组合；步骤2.2：采用白噪声激励法提取在该激励点位置组合情况下的白噪声响应，组建该多轴多激励振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息。
优选地，所述步骤3包括：步骤3.1：确定一种控制点组合方式，并使产品上选定的控制点分别满足预设控制谱；步骤3.2：由多轴多激励振动单元载荷识别矩阵，反求激励点处加载的载荷，获取激励点加载载荷信息。
优选地，所述步骤4包括：步骤4.1：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出产品仿真模型上控制点的响应谱与均方根值，获取控制点响应谱信息、控制点均方根值信息；步骤4.2：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出所有参考点处的响应谱与均方根值，获取参考点处响应谱信息、参考点处均方根值信息；步骤4.3：根据控制点响应谱信息、控制点均方根值信息、参考点处响应谱信息及参考点处均方根值信息，获取响应谱信息、均方根值信息。
优选地，所述步骤5包括：步骤5.1：在同一种激励点位置组合下进行所有控制点组合方式的仿真计算；步骤5.2：继续进行其他激励点位置组合方式的迭代计算，直至所有激励点位置组合方案均仿真完毕。
具体地，在一个实施例中，如图1所示，基于迭代优化的多轴多激励振动最优控制组合计算方法的步骤如下：
A.针对试验产品建立仿真模型，并对模型进行模态分析；
该步骤针对试验产品与振动系统建立几何模型，并进行结构优化，然后对试验产品进行模态分析，确定产品本身的振型节点，选择和确定整个系统中合适的控制点与激励点位置；
B.确定一种激励点位置组合，根据白噪声激励法确定该激励点位置组合下振动系统的频响矩阵；
该步骤首先确定该产品的在开展多轴多激励振动试验时的一种激励点位置组合，然后由白噪声激励法提取在该激励点位置组合情况下的白噪声响应，从而建立该激励点位置下多轴多激励振动系统的频响矩阵；
C.确定一种控制点组合，根据载荷识别矩阵反求激励点的加载载荷；
该步骤是在步骤B中明确的激励点位置组合下，确定一组控制点组合方式，并使试验产品上选定的控制点分别满足预设控制谱，由多轴多激励振动系统载荷识别矩阵反求激励点处加载的载荷；
D.根据输入与输出关系求解试验产品上控制点及参考点处的响应谱及均方根值。
该步骤中根据多输入多输出系统中的输入与输出关系，依据计算得到的激励点处的加载载荷与多轴多激励振动试验系统频响矩阵正向求解出试验产品仿真模型上控制点及所有参考点处的响应谱与均方根值。
E.根据“控制变量法”的思想，完成所有控制点与激励点位置组合的仿真计算，分别研究控制点改变和激励位置改变对参考点及整体响应分布的影响规律；
该步骤是在同一种激励点位置组合下完成所有控制点组合方式的仿真计算后，继续进行其他激励点位置组合方式的迭代计算，直至所有激励点位置与控制点位置的组合方案均仿真完毕；
F.完成所有控制点与激励点位置组合的迭代计算后，根据试验要求进行最优控制组合方案评定。
在该步骤中，依据试验产品的响应要求将前面各种控制点与激励点组合方法迭代计算结果进行对分对比，确定最符合要求的一组或几组激励点位置与控制点位置组合方案。
本领域技术人员可以将本发明提供的基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法，理解为本发明提供的基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择系统的一个实施例。即，所述基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择系统可以通过执行所述基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法的步骤流程实现。
根据本发明提供的一种基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择系统，包括：模块1：建立产品仿真模型，对产品仿真模型进行模态分析，获取模态分析结果信息；模块2：根据模态分析结果信息，确定一种激励点位置组合，根据白噪声激励法确定该激励点位置组合下振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息；模块3：确定一种控制点组合，根据载荷识别矩阵反求激励点的加载载荷，获取激励点加载载荷信息；模块4：求解产品上控制点及参考点处的响应谱及均方根值，获取响应谱信息、均方根值信息；模块5：根据“控制变量法”的思想，进行所有控制点与激励点位置组合的仿真计算，进行所有控制点与激励点位置组合的迭代计算；模块6：根据试验要求参数信息，进行控制组合评定，获取最优控制组合选择结果信息，根据最优控制组合选择结果信息进行多轴多激励振动试验。
优选地，模块2包括：模块2.1：确定该产品的在开展多轴多激励振动试验时的一种激励点位置组合；模块2.2：采用白噪声激励法提取在该激励点位置组合情况下的白噪声响应，组建该多轴多激励振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息。
优选地，所述模块3包括：模块3.1：确定一种控制点组合方式，并使产品上选定的控制点分别满足预设控制谱；模块3.2：由多轴多激励振动单元载荷识别矩阵，反求激励点处加载的载荷，获取激励点加载载荷信息。
优选地，所述模块4包括：模块4.1：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出产品仿真模型上控制点的响应谱与均方根值，获取控制点响应谱信息、控制点均方根值信息；模块4.2：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出所有参考点处的响应谱与均方根值，获取参考点处响应谱信息、参考点处均方根值信息；模块4.3：根据控制点响应谱信息、控制点均方根值信息、参考点处响应谱信息及参考点处均方根值信息，获取响应谱信息、均方根值信息。
优选地，所述模块5包括：模块5.1：在同一种激励点位置组合下进行所有控制点组合方式的仿真计算；模块5.2：继续进行其他激励点位置组合方式的迭代计算，直至所有激励点位置组合方案均仿真完毕。
本发明采用逆问题求解的数值模拟算法以及控制变量方法，完成多轴多激励振动试验的多种控制点与激励点位置组合方式的迭代仿真，能够有效提高多轴多激励最优控制组合方式的确定效率；本发明能够提升有限元计算的准确度，并且大幅降低了长期以来通过大量摸底试验确定最优组合方式的时间，减少产品振动应力损伤，节约试验成本；本发明能够保证了试验控制效果，提升控制精度。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法，其特征在于，包括：
步骤1：建立产品仿真模型，对产品仿真模型进行模态分析，获取模态分析结果信息；
步骤2：根据模态分析结果信息，确定一种激励点位置组合，确定该激励点位置组合下振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息；
步骤3：确定一种控制点组合，根据载荷识别矩阵反求激励点的加载载荷，获取激励点加载载荷信息；
步骤4：求解产品上控制点及参考点处的响应谱及均方根值，获取响应谱信息、均方根值信息；
步骤5：进行所有控制点与激励点位置组合的仿真计算，进行所有控制点与激励点位置组合的迭代计算；
步骤6：根据试验要求参数信息，进行控制组合评定，获取最优控制组合选择结果信息，根据最优控制组合选择结果信息进行多轴多激励振动试验。
2.根据权利要求1所述的基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2.1：确定该产品的在开展多轴多激励振动试验时的一种激励点位置组合；
步骤2.2：采用白噪声激励法提取在该激励点位置组合情况下的白噪声响应，组建该多轴多激励振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息。
3.根据权利要求1所述的基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤3.1：确定一种控制点组合方式，并使产品上选定的控制点分别满足预设控制谱；
步骤3.2：由多轴多激励振动单元载荷识别矩阵，反求激励点处加载的载荷，获取激励点加载载荷信息。
4.根据权利要求1所述的基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤4.1：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出产品仿真模型上控制点的响应谱与均方根值，获取控制点响应谱信息、控制点均方根值信息；
步骤4.2：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出所有参考点处的响应谱与均方根值，获取参考点处响应谱信息、参考点处均方根值信息；
步骤4.3：根据控制点响应谱信息、控制点均方根值信息、参考点处响应谱信息及参考点处均方根值信息，获取响应谱信息、均方根值信息。
5.根据权利要求1所述的基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择方法，其特征在于，所述步骤5包括：
步骤5.1：在同一种激励点位置组合下进行所有控制点组合方式的仿真计算；
步骤5.2：继续进行其他激励点位置组合方式的迭代计算，直至所有激励点位置组合方案均仿真完毕。
6.一种基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择系统，其特征在于，包括：
模块1：建立产品仿真模型，对产品仿真模型进行模态分析，获取模态分析结果信息；
模块2：根据模态分析结果信息，确定一种激励点位置组合，确定该激励点位置组合下振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息；
模块3：确定一种控制点组合，根据载荷识别矩阵反求激励点的加载载荷，获取激励点加载载荷信息；
模块4：求解产品上控制点及参考点处的响应谱及均方根值，获取响应谱信息、均方根值信息；
模块5：进行所有控制点与激励点位置组合的仿真计算，进行所有控制点与激励点位置组合的迭代计算；
模块6：根据试验要求参数信息，进行控制组合评定，获取最优控制组合选择结果信息，根据最优控制组合选择结果信息进行多轴多激励振动试验。
7.根据权利要求6所述的基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择系统，其特征在于，模块2包括：
模块2.1：确定该产品的在开展多轴多激励振动试验时的一种激励点位置组合；
模块2.2：采用白噪声激励法提取在该激励点位置组合情况下的白噪声响应，组建该多轴多激励振动单元的频响矩阵，获取振动单元频响矩阵信息。
8.根据权利要求6所述的基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择系统，其特征在于，所述模块3包括：
模块3.1：确定一种控制点组合方式，并使产品上选定的控制点分别满足预设控制谱；
模块3.2：由多轴多激励振动单元载荷识别矩阵，反求激励点处加载的载荷，获取激励点加载载荷信息。
9.根据权利要求6所述的基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择系统，其特征在于，所述模块4包括：
模块4.1：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出产品仿真模型上控制点的响应谱与均方根值，获取控制点响应谱信息、控制点均方根值信息；
模块4.2：根据激励点加载载荷信息、振动单元频响矩阵信息，多输入多输出单元中的输入与输出关系，正向求解出所有参考点处的响应谱与均方根值，获取参考点处响应谱信息、参考点处均方根值信息；
模块4.3：根据控制点响应谱信息、控制点均方根值信息、参考点处响应谱信息及参考点处均方根值信息，获取响应谱信息、均方根值信息。
10.根据权利要求6所述的基于迭代优化的多轴多激励振动控制组合选择系统，其特征在于，所述模块5包括：
模块5.1：在同一种激励点位置组合下进行所有控制点组合方式的仿真计算；
模块5.2：继续进行其他激励点位置组合方式的迭代计算，直至所有激励点位置组合方案均仿真完毕。
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