CN113239558A - 一种机理与数据联合驱动的运输振动建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机理与数据联合驱动的运输振动建模方法，包括如下步骤：步骤一，在多体动力学模型基础上，引入随速度变化的路面不平整激励G_d、车轮非圆转动激励G_t、发动机非平衡转动激励G_m并结合车轮振动的结构传递函数H₁、悬架振动的结构传递函数H₂、车厢振动的结构传递函数H₃，形成从路面到车厢底板振动的主要激励源和传递关系的物理模型；步骤二，获取振动数据，计算模型中的参数；步骤三，模型中的参数计算完成后、完成模型的建立；利用建立的模型对不同速度、不同路谱输入条件下的车辆轴头、车架和车厢底板的振动加速度功率谱密度进行预测。通过本发明建立的模型简单但可以反映不同机理的激励源。试验时只需在主要传递路径上布置少量测点。

Description

一种机理与数据联合驱动的运输振动建模方法

技术领域

本发明涉及公路运输振动环境的频域仿真建模领域，具体是一种机理与数据联合驱动的运输振动建模方法。

背景技术

针对公路运输振动环境的频域仿真建模，传统方法包括理论方法和试验方法。理论方法需建立车辆的动力学模型，或简化为多体动力学模型，或建立有限元模型，这类模型主要反映路面不平整度通过车辆结构所产生的振动环境，无法直接反映发动机非平衡转动、轮胎非圆等其它激励源产生的振动环境。试验方法有工作模态法和传递路径法等。工作模态法主要反映车辆结构动力学特性，当激励源类型较多时，容易因为混淆而难以获得有效的结构传递函数。传递路径法需要指定激励源和响应点，利用试验数据获得模型的传递函数，模型的有效性依赖于选择合理的激励源和响应点。

传统方法理论方法机理清楚，但是无法同时反映多种激励源，特别是一些会随着车辆使用状态而变化的激励源。而试验方法对测点的选择要求是比较高的。都需要建模人员有较高的理论功底，对车辆结构有深入的了解，建模工作较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机理与数据联合驱动的运输振动建模方法，包括如下步骤：

步骤一，在多体动力学模型基础上，引入随速度变化的路面不平整激励G_d、车轮非圆转动激励G_t、发动机非平衡转动激励G_m并结合车轮振动的结构传递函数H₁、悬架振动的结构传递函数H₂、车厢振动的结构传递函数H₃，形成从路面到车厢底板振动的主要激励源和传递关系的物理模型；

步骤二，获取振动数据，计算模型中的参数；输入参数为路面不平整激励G_d(n)、P₁、P₂、P₃、v、轮胎滚动半径R、发动机转速ω，分别计算路面不平整激励的时间频率f_r、车轮非圆转动激励的频率f_t、发动机非平衡转动激励的频率f_m，通过f_m和f_t识别出输入的振动加速度功率谱中车轮非圆转动激励和发动机非平衡转动激励的频带宽度，得出两类形状函数的半宽；将获取的振动数据中周期性激励频带宽度内的激励频段剔除；计算车轮振动的结构传递函数H₁、悬架振动的结构传递函数H₂、车厢振动的结构传递函数H₃，分别提取出车轮非圆转动激励G_t激励幅值A_t、发动机非平衡转动激励G_m的激励幅值A_m，来修正H₁修正完成后，对不同速度下周期性激励主要阶次的幅值进行拟合，拟合后计算其它速度下上述阶次周期性激励的幅值；

步骤三，模型中的参数计算完成后、完成模型的建立；利用建立的模型对不同速度、不同路谱输入条件下的车辆轴头、车架和车厢底板的振动加速度功率谱密度进行预测。

进一步的，所述的引入随速度变化的路面不平整激励G_d、车轮非圆转动激励G_t、发动机非平衡转动激励G_m并结合车轮振动的结构传递函数H₁、悬架振动的结构传递函数H₂、车厢振动的结构传递函数H₃，形成从路面到车厢底板振动的主要激励源和传递关系的物理模型，其中的参数的关系如下式所示：

其中的P₁为轴头振动响应、P₂为车架振动响应、P₃为车厢振动响应。

进一步的，获取的振动数据中同时包含了对宽频激励和对周期性激励的响应，为从实测振动数据中分离出周期性激励G_t和G_m，进一步假定共振时不同阶次激励的幅值按照线性叠加，则有

A_m,n、A_t,n是第n阶周期性激励频率处的幅值；F_m、F_t是描述周期性激励的形状函数，F_m,n、F_t,_n为第n阶周期性激励的形状函数，峰值频率点处幅值为1，根据测量结果进行抽象得到，式中，d是半宽，x是分析的谱线频率，f_n是周期性激励的第n阶频率。

本发明的有益效果是：通过本发明建立的模型简单但可以反映不同机理的激励源。试验时只需在主要传递路径上布置少量测点。传递函数计算过程简单。应用本方法时无需对车辆进行深入研究。适用于被运输产品和车载设备设计、评估所需的振动环境建模。

附图说明

图1为一种机理与数据联合驱动的运输振动建模方法的流程示意图；

图2为模型示意图；

图3为参数计算示意图；

图4为周期性激励的形状函数示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种机理与数据联合驱动的运输振动建模方法，包括如下步骤：

步骤一，在多体动力学模型基础上，引入随速度变化的路面不平整激励G_d、车轮非圆转动激励G_t、发动机非平衡转动激励G_m并结合车轮振动的结构传递函数H₁、悬架振动的结构传递函数H₂、车厢振动的结构传递函数H₃，形成从路面到车厢底板振动的主要激励源和传递关系的物理模型；

步骤二，获取振动数据，计算模型中的参数；输入参数为路面不平整激励G_d(n)、P₁、P₂、P₃、v、轮胎滚动半径R、发动机转速ω，分别计算路面不平整激励的时间频率f_r、车轮非圆转动激励的频率f_t、发动机非平衡转动激励的频率f_m，利用f_m和f_t识别出输入的振动加速度功率谱中车轮非圆转动激励和发动机非平衡转动激励的频带宽度，得出两类形状函数的半宽；将获取的振动数据中周期性激励频带宽度内的激励频段剔除；计算车轮振动的结构传递函数H₁、悬架振动的结构传递函数H₂、车厢振动的结构传递函数H₃，分别提取出车轮非圆转动激励G_t激励幅值A_t、发动机非平衡转动激励G_m的激励幅值A_m，来修正H₁修正完成后，对不同速度下周期性激励主要阶次的幅值进行拟合，拟合后计算其它速度下上述阶次周期性激励的幅值；

步骤三，模型中的参数计算完成后、完成模型的建立；利用建立的模型对不同速度、不同路谱输入条件下的车辆轴头、车架和车厢底板的振动加速度功率谱密度进行预测。

所述的引入随速度变化的路面不平整激励G_d、车轮非圆转动激励G_t、发动机非平衡转动激励G_m并结合车轮振动的结构传递函数H₁、悬架振动的结构传递函数H₂、车厢振动的结构传递函数H₃，形成从路面到车厢底板振动的主要激励源和传递关系的物理模型，其中的参数的关系如下式所示：

获取的振动数据中同时包含了对宽频激励和对周期性激励的响应，为从实测振动数据中分离出周期性激励G_t和G_m，进一步假定共振时不同阶次激励的幅值按照线性叠加，则有

A_m,n、A_t,n是第n阶周期性激励频率处的幅值；F_m、F_t是描述周期性激励的形状函数，F_m,_n、F_t,n为第n阶周期性激励的形状函数，峰值频率点处幅值为1，根据测量结果进行抽象得到，式中，d是半宽，x是分析的谱线频率，f_n是周期性激励的第n阶频率。

所述的将路谱的空间频率转换为时间频率，采用如下公式：

f_r＝n·v

式中，f_r为路面不平整激励的时间频率，n为空间频率，v为行驶速度。

所述的计算车轮非圆转动频率，采用如下公式：

f_t＝k·v/(2π·R)

式中，f_t为车轮非圆转动激励的频率，k为频率阶数，R为轮胎的滚动半径。

所述的发动机非平衡转动激励的频率f_m采用如下公式：

f_m＝k·ω/60

式中，f_m是发动机非平衡转动激励的频率，ω为转速(单位为r/min)。

具体的，根据激励源产生的机理，在多体动力学模型基础上，引入随速度变化的周期性激励，形成从路面到车厢底板振动的主要激励源和传递关系的物理模型，如图2所示。模型中参数均为时间频率f上的数列。

P₁是轴头振动响应的加速度功率谱密度，P₂是车架振动响应的加速度功率谱密度、P₃是车厢底板振动响应的加速度功率谱密度。H₁代表车轮振动的结构传递函数，H₂代表悬架振动的结构传递函数，H₃代表车厢振动的结构传递函数。以上三个结构传递函数是由对象决定的，不随路况和速度变化。激励源的频谱特性则是随速度变化而变化的。路面不平整激励G_d是宽频激励、不同频率点谱密度值随速度的变化规律是不同的。车轮非圆转动激励G_t是周期性激励、激励频率与速度成正比。发动机非平衡转动激励G_m是周期性激励、激励频率与转速成正比，同一档位下与速度亦成正比。

忽略不同激励源共振时的耦合影响，上述参数的关系可表示为：

式中：P₁、P₂、P₃和G_d可通过试验直接测量得到，H₁、H₂、H₃是与速度无关的未知量，G_t和G_m是与速度有关的未知量。测试的速度工况数越多，能够识别出的周期性激励越准确。仅有一种速度下的测试数据，则不能够识别出周期性激励。

周期性激励的形状函数

实测振动数据中通常同时包含了对宽频激励和对周期性激励的响应。为从实测振动数据中分离出周期性激励G_t和G_m，进一步假定共振时不同阶次激励的幅值按照线性叠加，则有

A_m,n、A_t,n是第n阶周期性激励频率处的幅值。F_m、F_t是描述周期性激励的形状函数，如图4所示，F_m,n、F_t,n为第n阶周期性激励的形状函数，峰值频率点处幅值为1，可根据测量结果进行抽象得到。

式中，d是半宽。x是分析的谱线频率。f_n是周期性激励的第n阶频率。f_n的取值与速度相关。

非共振频率处G_m和G_t均为零，可略去公式(1)中相关项，利用不同速度下的振动响应和路谱数据即可获得H₁、H₂、H₃这三个车辆结构传递函数。

在传递函数已知的情况下，可针对不同速度下的共振频率，获得各阶激励幅值，得到G_t和G_m。

模型参数的计算

模型参数的计算流程如图3所示，输入参数为G_d(n)、P₁、P₂、P₃、v，输出的模型参数为H₁、H₂、H₃和A_t(v)、A_m(v)。

将路谱的空间频率转换为时间频率。路面不平整激励在空间频率上是确定的，但是转换到时间频率上，是随着行驶速度而变化的。

f_r＝n·v (4)

式中，f_r为路面不平整激励的时间频率，n为空间频率，v为行驶速度。

计算车轮非圆转动频率。这个激励的频率是由车轮的旋转速度和轮胎大小共同决定的。

f_t＝k·v/(2π·R) (5)

式中，f_t为车轮非圆转动激励的频率，k为频率阶数，R为轮胎的滚动半径。

计算发动机非平衡转动频率。激励的基频是由发动机转速决定的。而转速和行驶速度之间的关系是由动力传动系统的减速比和轮胎的滚动半径决定的。

f_m＝k·ω/60 (6)。

利用f_m和f_t识别出实测振动加速度功率谱中两类周期性激励的频带宽度，确定出两类形状函数的半宽。

将实测数据中周期性激励频带宽度内的数据剔除。

计算结构传递函数。利用不同速度下周期性激励的频率差，可以对结构传递函数进行补齐。取均值作为模型参数。此时修正系数取1。

分离车轮非圆转动激励和发动机非平衡转动激励。以路谱为输入，利用结构传递函数计算出路面不平整引起的宽带随机振动环境，用实测数据减去这部分振动即为周期性激励。

修正结构传递函数H₁。可采用线性修正法，整体乘上一个常数，使得模型对实测数据均方根加速度的拟合结果残差最小。

对不同速度下周期性激励主要阶次的幅值进行拟合。拟合后的函数带入公式(2)，可用于计算其它速度下上述阶次周期性激励的幅值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种机理与数据联合驱动的运输振动建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在多体动力学模型基础上，引入随速度变化的路面不平整激励G_d、车轮非圆转动激励G_t、发动机非平衡转动激励G_m并结合车轮振动的结构传递函数H₁、悬架振动的结构传递函数H₂、车厢振动的结构传递函数H₃，形成从路面到车厢底板振动的主要激励源和传递关系的物理模型；

步骤二，获取振动数据，计算模型中的参数；输入参数为路面不平整激励G_d(n)、P₁、P₂、P₃、v、轮胎滚动半径R、发动机转速ω，分别计算路面不平整激励的时间频率f_r、车轮非圆转动激励的频率f_t、发动机非平衡转动激励的频率f_m，通过f_m和f_t识别出输入的振动加速度功率谱中车轮非圆转动激励和发动机非平衡转动激励的频带宽度，得出两类形状函数的半宽；将获取的振动数据中周期性激励频带宽度内的激励频段剔除；计算车轮振动的结构传递函数H₁、悬架振动的结构传递函数H₂、车厢振动的结构传递函数H₃，分别提取出车轮非圆转动激励G_t激励幅值A_t、发动机非平衡转动激励G_m的激励幅值A_m，来修正H₁修正完成后，对不同速度下周期性激励主要阶次的幅值进行拟合，拟合后计算其它速度下上述阶次周期性激励的幅值；

步骤三，模型中的参数计算完成后、完成模型的建立；利用建立的模型对不同速度、不同路谱输入条件下的车辆轴头、车架和车厢底板的振动加速度功率谱密度进行预测。

2.根据权利要求1所述的一种机理与数据联合驱动的运输振动建模方法，其特征在于，所述的引入随速度变化的路面不平整激励G_d、车轮非圆转动激励G_t、发动机非平衡转动激励G_m并结合车轮振动的结构传递函数H₁、悬架振动的结构传递函数H₂、车厢振动的结构传递函数H₃，形成从路面到车厢底板振动的主要激励源和传递关系的物理模型，其中的参数的关系如下式所示：

其中的P₁为轴头振动响应、P₂为车架振动响应、P₃为车厢振动响应。

3.根据权利要求1所述的一种机理与数据联合驱动的运输振动建模方法，其特征在于，获取的振动数据中同时包含了对宽频激励和对周期性激励的响应，为从实测振动数据中分离出周期性激励G_t和G_m，进一步假定共振时不同阶次激励的幅值按照线性叠加，则有

A_m,n、A_t,n是第n阶周期性激励频率处的幅值；F_m、F_t是描述周期性激励的形状函数，F_m,n、F_t,n为第n阶周期性激励的形状函数，峰值频率点处幅值为1，根据测量结果进行抽象得到，式中，d是半宽，x是分析的谱线频率，f_n是周期性激励的第n阶频率。

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