CN113392565A - 车体与动力包振动匹配状态定量评估方法、系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道交通车辆领域，提供了一种车体与动力包振动匹配状态定量评估方法、系统及设备。其中，该评估方法包括获取车体和动力包的动力参数，基于车体和动力包的刚体动力学模型，分别计算车体和动力包的模态频率及其对应振型；根据车体和动力包振型的预先设定相关程度，确定车体与动力包振型方向的匹配系数；计算车体与动力包不同振型方向的模态频率差，再将所述模态频率差与对应匹配系数相乘后累加，得到车体和动力包的模态匹配因子；基于模态匹配因子与振动匹配状态呈正相关关系，定量评估出车体与动力包振动匹配状态，以衡量车体在任一振型方向的振动效果。

Description

车体与动力包振动匹配状态定量评估方法、系统及设备

技术领域

本发明属于轨道交通车辆领域，尤其涉及一种车体与动力包振动匹配状态定量评估方法、系统及设备。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

动力包是内燃动车组的重要核心部件及动力部件，内燃动车组车体及动力包的两者耦合振动影响车辆的舒适性和运行平稳性。由于内燃动车组受到动力包以及车体的组合激励，使得车辆的激励调节以及运行环境越来越复杂。为了提升隔振效果，车体与动力包两者之间通常采用双层隔振方法，这种设计方法能够从设计角度得到隔振系统的最优参数，但是采用双层隔振方法不易对车体与动力包的振动状态进行判断，而且无法对装车后发生的异常振动进行定量判定分析及解决。

综上所述，发明人发现，车体与动力包模态定量设计是轨道交通车辆工程设计领域的技术瓶颈，现有的车体与动力包隔振设计过程存在车体与动力包之间的振动匹配状态难以定量判断，进而无法准确衡量装车后的车辆系统异常振动性质的问题。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种车体与动力包振动匹配状态定量评估方法、系统及设备，其能够量化车体与动力包之间的振动匹配状态，准确衡量装车后的车辆系统振动效果，以避免出现异常振动情况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面提供一种车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其包括：

获取车体和动力包的动力参数，基于车体和动力包的刚体动力学模型，分别计算车体和动力包的模态频率及其对应振型；

根据车体和动力包振型的预先设定相关程度，确定车体与动力包振型方向的匹配系数；

计算车体与动力包不同振型方向的模态频率差，再将所述模态频率差与对应匹配系数相乘后累加，得到车体和动力包的模态匹配因子；

基于模态匹配因子与振动匹配状态呈正相关关系，定量评估出车体与动力包振动匹配状态，以衡量车体在任一振型方向的振动效果。

本发明的第二个方面提供一种车体与动力包振动匹配状态定量评估系统，其包括：

频率及振型计算模块，其用于获取车体和动力包的动力参数，基于车体和动力包的刚体动力学模型，分别计算车体和动力包的模态频率及其对应振型；

振型匹配系数计算模块，其用于根据车体和动力包振型的预先设定相关程度，确定车体与动力包振型方向的匹配系数；

模态匹配因子计算模块，其用于计算车体与动力包不同振型方向的模态频率差，再将所述模态频率差与对应匹配系数相乘后累加，得到车体和动力包的模态匹配因子；

匹配状态定量评估模块，其用于基于模态匹配因子与振动匹配状态呈正相关关系，定量评估出车体与动力包振动匹配状态，以衡量车体在任一振型方向的振动效果。

本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法中的步骤。

本发明的第四个方面提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其根据车体和动力包振型的预先设定相关程度，确定车体与动力包振型方向的匹配系数，再基于模态频率差与对应匹配系数相乘后累加，得到车体和动力包的模态匹配因子，根据模态匹配因子与振动匹配状态呈正相关关系，定量评估出车体与动力包振动匹配状态，解决了车体与动力包之间的振动匹配状态的量化问题，还利用模态匹配因子的大小衡量出了车辆系统异常振动的性质，还可以对匹配的精度进行有效的控制，为车体及车辆振动控制提供了基础。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法流程图；

图2是本发明实施例二的车体与动力包振动匹配状态定量评估系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

参照图1，本实施例提供了一种车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其具体包括如下步骤：

步骤S101：获取车体和动力包的动力参数，基于车体和动力包的刚体动力学模型，分别计算车体和动力包的模态频率及其对应振型。

在步骤S101的具体实施过程中，通过模态分析可以确定车体和动力包的模态频率(也就是，固有频率)和振型。

具体地，将车体和动力包的刚体动力学模型离散化形成有限元模型，其中，可利用现有的有限元软件比如Ansys进行建模，得到车体和动力包的有限元模型。

基于建立好的车体和动力包的有限元模型，采用本领域的现有的模态计算方法(比如：Block Lanczos模态计算方法)即可计算得到模态频率及其对应振型。

在本实施例中，所述车体的振型数量与车体的自由度数量相等。动力包的振型数量与动力包的自由度数量相等。

假设：所述车体的自由度为x_c，y_c，z_c，α_c，β_c，γ_c，分别表示车体的纵向、横向、垂向、绕纵轴转动、绕横轴转动和绕垂向轴转动方向的运动。

此时对应的车体的刚体模态振型为：

Φx_c{1,0,0,0,0,0}，Φy_c{0,1,0,0,0,0}，Φz_c{0,0,1,0,0,0}，Φα_c{0,0,0,1,0,0}，Φβ_c{0,0,0,0,1,0}，Φγ_c{0,0,0,0,0,1}。

假设：所述动力包的自由度为x_d，y_d，z_d，α_d，β_d，γ_d，分别表示动力包的纵向、横向、垂向、绕纵轴转动、绕横轴转动和绕垂向轴转动方向的运动。

此时对应的动力包的刚体模态振型为：

Φx_d{1,0,0,0,0,0}，Φy_d{0,1,0,0,0,0}，Φz_d{0,0,1,0,0,0}，Φα_d{0,0,0,1,0,0}，Φβ_d{0,0,0,0,1,0}，Φγ_d{0,0,0,0,0,1}。

步骤S102：根据车体和动力包振型的预先设定相关程度，确定车体与动力包振型方向的匹配系数。

在步骤S102的具体实施过程中，所述车体与动力包振型方向的匹配系数的取值范围为[0,1]。

具体地，根据车体和动力包振型方向的相关性，确定车体和动力包振型的相关程度。其中，所述车体和动力包振型的相关程度包括全相关振型、弱相关振型和不相关振型。

全相关振型为：:Φx_c-Φx_d，Φy_c-Φy_d，Φz_c-Φz_d，Φα_c-Φα_d，Φβ_c-Φβ_d，Φγ_c-Φγ_d。

弱相关振型为：Φx_c-Φβ_d，Φx_c-Φγ_d，Φy_c-Φα_d，Φy_c-Φγ_d，Φz_c-Φα_d，Φz_c-Φβ_d。

不相关振型为：Φx_c-Φy_d，Φy_c-Φz_d，Φx_c-Φz_d，Φx_c-Φα_d，Φy_c-Φβ_d，Φz_c-Φγ_d。

当车体和动力包振型方向的相关程度为不相关振型时，车体与动力包振型方向的匹配系数为零。

当车体和动力包振型方向的相关程度为全相关振型时，车体与动力包振型方向的匹配系数为第一预设值，所述第一预设值的范围为(0.5,1]，比如设置为0.75。

当车体和动力包振型方向的相关程度为弱相关振型时，车体与动力包振型方向的匹配系数为第二预设值，所述第二预设值的范围为(0,0.5]，比如设置为0.2。

例如：

设车体与动力包振型方向的匹配系数为φ_kp：

令，k＝x_c,y_c,z_c,α_c,β_c,γ_c

当k＝x_c时取值如下：

当k＝y_c时取值如下：

当k＝z_c时取值如下：

当k＝α_c时取值如下：

当k＝β_c时取值如下：

当k＝γ_c时取值如下：

一般内燃动车组车辆取λ₁＝0.7～0.8，λ₂＝0.1～0.3。

步骤S103：计算车体与动力包不同振型方向的模态频率差，再将所述模态频率差与对应匹配系数相乘后累加，得到车体和动力包的模态匹配因子。

在步骤S103的具体实施过程中，对于x,y,z,α,β,γ方向中任一方向的车体与动力包振型匹配因子，公式如下：

其中p∈{x_d,y_d,z_d,α_d,β_d,γ_d}

其中，abs(k,p)表示车体k振型方向和动力包p振型方向频率差的绝对值。

步骤S104：基于模态匹配因子与振动匹配状态呈正相关关系，定量评估出车体与动力包振动匹配状态，以衡量车体在任一振型方向的振动效果。

实施例二

参照图2，本实施例提供了一种车体与动力包振动匹配状态定量评估系统，其具体包括如下模块：

频率及振型计算模块11，其用于获取车体和动力包的动力参数，基于车体和动力包的刚体动力学模型，分别计算车体和动力包的模态频率及其对应振型；

振型匹配系数计算模块12，其用于根据车体和动力包振型的预先设定相关程度，确定车体与动力包振型方向的匹配系数；

模态匹配因子计算模块13，其用于计算车体与动力包不同振型方向的模态频率差，再将所述模态频率差与对应匹配系数相乘后累加，得到车体和动力包的模态匹配因子；

匹配状态定量评估模块14，其用于基于模态匹配因子与振动匹配状态呈正相关关系，定量评估出车体与动力包振动匹配状态，以衡量车体在任一振型方向的振动效果。

此处需要说明的是，本实施例的频率及振型计算模块11、振型匹配系数计算模块12、模态匹配因子计算模块13和匹配状态定量评估模块14各个模块的具体实施过程，分别与实施例一中的步骤S101、步骤S102、步骤S103、步骤S104一一对应，此处不再累述。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，包括：

获取车体和动力包的动力参数，基于车体和动力包的刚体动力学模型，分别计算车体和动力包的模态频率及其对应振型；

根据车体和动力包振型的预先设定相关程度，确定车体与动力包振型方向的匹配系数；

计算车体与动力包不同振型方向的模态频率差，再将所述模态频率差与对应匹配系数相乘后累加，得到车体和动力包的模态匹配因子；

基于模态匹配因子与振动匹配状态呈正相关关系，定量评估出车体与动力包振动匹配状态，以衡量车体在任一振型方向的振动效果。

2.如权利要求1所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，所述车体与动力包振型方向的匹配系数的取值范围为[0,1]。

3.如权利要求1所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，根据车体和动力包振型方向的相关性，确定车体和动力包振型的相关程度。

4.如权利要求3所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，所述车体和动力包振型的相关程度包括全相关振型、弱相关振型和不相关振型。

5.如权利要求4所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，当车体和动力包振型方向的相关程度为不相关振型时，车体与动力包振型方向的匹配系数为零。

6.如权利要求4所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，当车体和动力包振型方向的相关程度为全相关振型时，车体与动力包振型方向的匹配系数为第一预设值，所述第一预设值的范围为(0.5,1]。

7.如权利要求4所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，当车体和动力包振型方向的相关程度为弱相关振型时，车体与动力包振型方向的匹配系数为第二预设值，所述第二预设值的范围为(0,0.5]。

8.如权利要求1所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，所述车体的振型数量与车体的自由度数量相等。

9.如权利要求8所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，所述车体的自由度包括车体的纵向、横向、垂向、绕纵轴转动、绕横轴转动和绕垂向轴转动方向的运动。

10.如权利要求1所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，所述动力包的振型数量与动力包的自由度数量相等。

11.如权利要求10所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法，其特征在于，所述动力包的自由度包括动力包的纵向、横向、垂向、绕纵轴转动、绕横轴转动和绕垂向轴转动方向的运动。

12.一种车体与动力包振动匹配状态定量评估系统，其特征在于，包括：

频率及振型计算模块，其用于获取车体和动力包的动力参数，基于车体和动力包的刚体动力学模型，分别计算车体和动力包的模态频率及其对应振型；

振型匹配系数计算模块，其用于根据车体和动力包振型的预先设定相关程度，确定车体与动力包振型方向的匹配系数；

模态匹配因子计算模块，其用于计算车体与动力包不同振型方向的模态频率差，再将所述模态频率差与对应匹配系数相乘后累加，得到车体和动力包的模态匹配因子；

匹配状态定量评估模块，其用于基于模态匹配因子与振动匹配状态呈正相关关系，定量评估出车体与动力包振动匹配状态，以衡量车体在任一振型方向的振动效果。

13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-11中任一项所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法中的步骤。

14.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-11中任一项所述的车体与动力包振动匹配状态定量评估方法中的步骤。

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