CN114254529A - 减震结构的效果评估方法、震动实验装置、减震结构 - Google Patents

减震结构的效果评估方法、震动实验装置、减震结构 Download PDF

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CN114254529A CN202011005108.1A CN202011005108A CN114254529A CN 114254529 A CN114254529 A CN 114254529A CN 202011005108 A CN202011005108 A CN 202011005108A CN 114254529 A CN114254529 A CN 114254529A
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Abstract

本申请提供一种减震结构的效果评估方法、震动实验装置、减震结构该方法构建减震结构的有限元仿真模型；响应用户输入，配置所述有限元仿真模型中每个零件的材料属性以及边界条件；根据预设的模式数，对所述有限元仿真模型进行模态分析，确定所述有限元仿真模型的各阶固有频率；比较所述各阶固有频率与震动源的震动频率之间的大小，确定所述减震结构的减震效果。本申请上述实施例提供的方案，无需对设计进行打样后再测试效果，可以由机器自动评估减震结构的减震效果，降低设计风险和设计成本。

Description

减震结构的效果评估方法、震动实验装置、减震结构
技术领域
本申请涉及无人机技术领域，特别涉及一种减震结构的的效果评估方法、震动实验装置、减震结构、电子设备、计算机可读存储介质。
背景技术
减震结构的作用是降低振源的振动对其它设备的影响。
减震设计的方法，一种是对振动源主动隔振，例如电机是主要振动源，可以在其安装座的底部添加隔振橡胶垫，从而减少其振动传到其它设备的强度；另一种是其它设备的被动隔振，例如电机是主要振动源，但不对其进行减震，在执行设备的位置添加减震系统，实现降低振动烈度的目的。
振动理论比较复杂，且减震结构形式多样，故很难建立准确的力学模型，进行准确的理论计算，多年来减震结构的设计，多是靠工程实践的积累，进行经验设计，设计者在设计初期无法判断减震效果的好坏，只能等零件打样，无法在打样前期规避设计风险，一旦出错，增加迭代成本。
发明内容
本申请实施例提供了一种减震结构的效果评估方法，在结构设计完成后，不必进行打样，即可对其进行初步评估，降低设计风险和设计成本。
本申请实施例提供了一种减震结构的效果评估方法，包括：
构建减震结构的有限元仿真模型；
响应用户输入，配置所述有限元仿真模型中每个零件的材料属性以及边界条件；
根据预设的模式数，对所述有限元仿真模型进行模态分析，确定所述有限元仿真模型的各阶固有频率；
比较所述各阶固有频率与震动源的震动频率之间的大小，确定所述减震结构的减震效果。
在一实施例中，上述方法还包括：
根据所述有限元仿真模型在自重状态下的最大变形量，计算所述减震结构在竖直方向的固有频率；
若所述竖直方向的固有频率与任意一阶的固有频率之间的差距小于阈值，确定所述有限元仿真模型准确。
在一实施例中，所述根据所述有限元仿真模型在自重状态下的最大变形量，计算所述减震结构在竖直方向的固有频率，采用以下公式：
Figure BDA0002694849710000021
其中，f表示固有频率，g表示重力加速度，δst表示最大形变量。
在一实施例中，所述响应用户输入，配置所述有限元仿真模型中每个零件的材料属性以及边界条件，包括：
根据已知的减震材料的硬度，计算所述减震材料的弹性模量；
响应用户输入，配置所述有限元仿真模型中每个零件的密度、弹性模量以及泊松比。
在一实施例中，所述根据已知的减震材料的硬度，计算所述减震材料的弹性模量，采用以下公式：
Figure BDA0002694849710000031
其中，HS表示减震材料的硬度，E表示弹性模量。
本申请实施例提供了一种震动实验装置，包括：
震动台，用于根据设定的参数，产生相应的震动；
测试工装，固定在所述震动台上，用于安装待测减震组件；
待测减震组件，安装于所述测试工装，远离所述震动台的端面下；所述待测减震组件包括：减震球；位于所述减震球上的采集板；悬挂在所述减震球下的负载；以及连接负载的惯性测量单元。
在一实施例中，所述惯性测量单元包括三轴陀螺仪以及三轴加速度计。
本申请实施例提供了一种减震结构，包括：
机体连接架，用于与机体刚性连接；
减震球挂架；
减震球，分别与所述机体连接架和减震球挂架刚性连接；
被挂设备，与所述减震球挂架刚性连接。
本申请实施例提供了一种电子设备所述电子设备包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行上述减震结构的效果评估方法。
本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序可由处理器执行以完成上述减震结构的效果评估方法。
本申请上述实施例提供的方案，通过构建减震结构的有限元仿真模型；对有限元仿真模型进行模态分析，获得有限元仿真模型的各阶固有频率；通过比较各阶固有频率与震动源的震动频率之间的大小，可以确定所述减震结构的减震效果，由此无需对设计进行打样后再测试效果，可以由机器自动评估减震结构的减震效果，降低设计风险和设计成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请实施例提供的一种减震结构示意图；
图2是图1中减震结构的负载重心位置示意图；
图3是本申请实施例提供的减震结构的效果评估方法的流程示意图；
图4是本申请实施例提供的简化模型的原理示意图；
图5是原始模型和简化模型的参数对比示意图；
图6是本申请实施例提供的定义边界条件的界面示意图；
图7是模式数输入的界面示意图；
图8-图13是第一阶至第六阶的各阶震动状态示意图；
图14是有限元分析软件的界面示意图
图15是固有频率的计算原理示意图；
图16是本申请一实施例示出的震动实验装置的结构示意图；
图17是图16中A区域的放大图；
图18是图17中待测减震组件的结构示意图；
图19-图21是三个方向的角加速度时间历程曲线和频谱曲线；
图22-图24是三个方向的线加速度的时间历程曲线和频谱曲线。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1为本申请实施例提供的一种减震结构示意图。如图1所示，该减震结构包括：机体连接架11、减震球12、减震球挂架13以及被挂设备14。
其中，机体连接架11用于与机体刚性连接。例如，机体可以是无人机。减震球12分别与机体连接架11和减震球挂架13刚性连接。被挂设备14与减震球挂架13刚性连接。被挂设备可以包括相机、电机等设备。该减震结构为吊装式，即被挂设备14悬挂在减震球挂架13的下方。
图2是图1中减震结构的负载重心位置示意图。如图2所示，负载重点15位于减震球12跨距交叉点附近，即位于减震跨距内部。
图3是本申请实施例提供的减震结构的效果评估方法的流程示意图。该减震结构可以是图1对应实施例中的减震结构。如图3所示，该方法包括以下步骤S310-步骤S340。
步骤S310：构建减震结构的有限元仿真模型。
有限元仿真模型即有限元模型，是指运用有限元分析方法建立的模型，是一组仅在节点处连接、仅靠节点传力、仅在节点处受约束的单元组合体。构建有限元模型的方法可以参见现有技术。
由于零件的特征越复杂，例如小的圆角和倒角越多，有限元划分的单元会越小、越多。而软件计算时，会计算每个单元的值，并进行差值迭代，单元数越多、单元之间的大小相差越大，则计算时间越长。故在一实施例中，可以采用等效替换的方式将不影响仿真结果的零件用其它简单的零件代替，并减小零件之间所划分单元的大小差。如图4中(1)所示的电机单元，包括定子及其线圈44、转子42、轴承43、PCB板及其上微小的电子元器件41等，可以用简单的一个回转体代替，如图4中(2)所示。
采用同样的方式，对减震结构的有限元仿真模型进行简化处理如图5所示，(1)是减震结构原始的有限元仿真模型；(2)是减震结构简化后的有限元仿真模型。从图5中可以看出，需要保证简化前后，模型的质量属性(包括质量、重心坐标、惯性张量等)基本一致。
步骤S320：响应用户输入，配置所述有限元仿真模型中每个零件的材料属性以及边界条件。
简化后的有限元仿真模型中的每个零件，需要分配相应的材料属性。例如，针对模态分析和静力分析，需要分配密度、弹性模量、泊松比等属性。这些属性可以由用户输入得到，下表1是列举的几种材料属性。
表1列举的几种材料属性。
Figure BDA0002694849710000061
边界条件是指一个零件与其它零件连接的状态，比如在有限元中某个零件受到其它零件的载荷，那么该零件有一个载荷边界条件；如果某个零件通过螺栓与其它零件固定，那么该零件就有一个约束边界条件。所以，边界条件可分为两类：载荷(如力，速度，加速度，温度等)与约束。
计算机可以响应用户输入，为有限元仿真模型施加固定约束，施加相应的载荷，添加零件之间的接触关系。如图6所示，用户选择左上角的位移控件，并选择目标曲面，可以为有限元仿真模型施加位移约束；用户选择重力控件，根据右下角的坐标系，选择重力施加的方向，即可为有限元仿真模型施加在载荷。
在一实施例中，配置材料属性可以包括以下步骤：根据已知的减震材料的硬度，计算所述减震材料的弹性模量。响应用户输入，配置所述有限元仿真模型中每个零件的密度、弹性模量以及泊松比。
在一实施例中，可以采用以下公式计算减震材料的弹性模量：
Figure BDA0002694849710000071
其中，HS表示减震材料的硬度，E表示弹性模量。
在一实施例中，减震球可以采用橡胶材料，橡胶材料基于Mooney-Rivilin模型：
G＝E/3＝2(C10+C01) (2)
Figure BDA0002694849710000072
式中：G为橡胶的剪切模量，单位MPa；
E为橡胶的弹性模量，单位MPa；
C10和C01为橡胶的本构系数，单位MPa；
HS为橡胶的邵氏硬度，单位度。
工程中，除专业测试机构可以准确测定橡胶的本构系数外，一般减震球生产供应商不具备该能力，故工程实践中多以减震球硬度作为沟通标准。因此，本申请实施例默认已知减震球硬度HS，通过公式3，反推橡胶减震球的弹性模量E，进而按C10/C01＝4:1的方式进行刚度分配(经过仿真计算，只要保证减震球的总弹性模量E不变，本构系数的分配比例对其基本无影响)。
在计算出弹性模量后，用户可以在指定输入框，输入密度、弹性模量以及泊松比，从而计算机获得有限元仿真模型中每个零件的材料属性。
步骤S330：根据预设的模式数，对所述有限元仿真模型进行模态分析，确定所述有限元仿真模型的各阶固有频率。
模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包括固有频率和振型。模态分析的基本过程：可以在定义边界条件时，不施加重力载荷，使用者根据模态分析的类型，进行相应的设置，例如设定计算模型的1～9阶固有频率，则有限元分析软件会自动调用内部的求解方程进行后台计算。
图7是模式数输入的界面示意图。模式数是指计算固有频率的阶数。如图7所示，用户可以在模式数对应的输入框中输入9，即计算有限元仿真模型的1～9阶固有频率，之后软件自动调用内部的求解方程进行后台计算，获得1～9阶的固有频率。求解方程可以参照现有技术实现。
固有频率是减震结构的固有属性，它与结构的形状、材料、约束的位置等因素有关。一旦结构定型，则减震结构的各阶固有频率也就确定。每个系统都有无限多个固有频率点，但因为高阶固有频率值较大，已经超出工程应用的范凑，故一般不考虑。
下表2是本申请实施例提供的有限元仿真模型的1～9阶固有频率，其中前6阶固有频率，对应的各阶振型分别如下图8-13所示，依次为第一阶、第二阶…第六阶。
表2有限元仿真模型的1～9阶固有频率(单位:Hz)
Figure BDA0002694849710000091
步骤S340：比较所述各阶固有频率与震动源的震动频率之间的大小，确定所述减震结构的减震效果。
每个固有频率点，都有一种特定的振型。当外部输入的激振频率与减震结构的固有频率值相同或接近时，减震结构就会以该频率点特定的振型发生共振，且振动幅值会一直放大，直至损坏。
故通过比较各阶固有频率和震动源的震动频率之间的大小，如果各阶固有频率均与震动源的震动频率不相同或不接近，则可以认为该减震结构具有减震效果。
从表2中的数据可知，减震结构的第6阶固有频率为ω06＝50.485Hz，第7阶固有频率为ω07＝778.86Hz。
震动源为电机带动螺旋桨旋转时，产生的震动。震动的转速范围为4500～9000rpm，故震动源的震动频率ω范围为75～150Hz。故减震系统的固有频率，避开了振动源的固有频率，很好的实现了减震的目的。
根据现有减震系统减震效果的评判标准可知，假设减震系统的固有频率为ω0，在振动源的输入频率
Figure BDA0002694849710000101
时，才能达到隔震的目的。在上述实施例中，震动源的震动频率ω范围为75～150Hz，第6阶固有频率为ω06＝50.485Hz，第7阶固有频率为ω07＝778.86Hz，如上可知
Figure BDA0002694849710000102
之后通过下文的实验装置得到激振源的输入频率大于系统的第六阶固有频率后，系统基本不震动，减震效果良好。
在一实施例中，本申请实施例提供的减震结构的效果评估方法还包括：根据所述有限元仿真模型在自重状态下的最大变形量，计算所述减震结构在竖直方向的固有频率；若所述竖直方向的固有频率与任意一阶的固有频率之间的差距小于阈值，确定所述有限元仿真模型准确。
其中，自重状态是指减震球的顶端固定，在Y方向施加重力加速度后的最大变形量。如图14所示，是有限元分析软件的界面示意图。可以通过不同颜色代表不同位置的变形量。从图中可以看出，最大变形量是4毫米。减震结构在竖直方向的固有频率，可以采用以下公式计算得到
Figure BDA0002694849710000103
其中，f表示固有频率，g表示重力加速度，δst表示最大形变量。
将最大变形量带入公式(4)可知减震结构在Y方向(上下)的固有频率
Figure BDA0002694849710000104
其中，上述公式(4)可以根据以下公式得到：以单自由度弹簧系统为例，如图15所示，进行说明。
重力平衡：P＝F＝m·g
弹簧系统的静力平衡：F＝k·δst
固有频率计算公式：
Figure BDA0002694849710000111
和
Figure BDA0002694849710000112
Figure BDA0002694849710000113
上式中：
W0——固有角频率，rad/s；f——系统的振动频率，Hz；k——减震系统的刚度，N.m；m——负载的质量，kg；δst——弹性系统的变形量，m。
根据表2以及公式(5)的计算结果可知，第三阶的固有频率及其振动状态和公式(5)计算的结果基本一致。进而从侧面证明有限元仿真模型建立的比较准确，且有限元仿真值可以得到其它各阶的固有频率，能够直观的看到各阶的振动状态，使结果更加完整。
图16为本申请一实施例示出的震动实验装置的结构示意图。图17是图16中A区域的放大图。图18是待测减震组件的结构示意图。如图16-18所示，该装置包括：震动台21、测试工装22以及待测减震组件23。
震动台21，即震源产生设备，用于根据设定的参数，产生相应的震动；测试工装22固定在所述震动台21上，用于安装待测减震组件23；待测减震组件23安装于所述测试工装22，远离所述震动台21的端面下方；所述待测减震组件23包括：减震球12、采集板231、负载232以及惯性测量单元233。其中，采集板231位于所述减震球12上；负载232悬挂在所述减震球12下；惯性测量单元233连接负载232。
在一实施例中，所述惯性测量单元233可以包括三轴陀螺仪以及三轴加速度计。三轴陀螺仪用于监测绕三个轴转动的角加速度值及三轴加速度计用于监测沿三个轴移动的线加速度值。IMU(惯性测量单元233)可以监测被测减震结构的振动数据，并反馈到采集板231进行记录，准确记录减震结构的各种加速度数据，可以作为评判振动特性的指标。
其中，实验开始前，可以对IMU进行校准。校准方法：震动台21的震动参数是已知的，如果将IMU直接与震动台21连接，则IMU反馈的数据应该与振动台21入参数完全相同才对，否则需要调整后重新校准。
图19-图21是三个方向的角加速度时间历程曲线和频谱曲线。其中，每张图的上半部分是采用IMU记录的时间历程的角加速度变化曲线。下半部分为采用FFT分析(傅立叶变换)，将上述角加速度的时间变化曲线，转化为的频谱曲线。
图22-图24是三个方向的线加速度的时间历程曲线和频谱曲线。同样的，每张图的上半部分是采用IMU记录的时间历程的线加速度变化曲线。下半部分为采用FFT分析(傅立叶变换)，将上述线加速度的时间变化曲线，转化为的频谱曲线。
图19-图24的频谱图中，每一个波峰均是一个共振点，即减震结构的共振频率点。由图19-图24，提取减震结构的共振频率点，如下表3所示
表3实验提取的共振频率点(单位:Hz)
Figure BDA0002694849710000121
Figure BDA0002694849710000131
由图19-图24可知，当激振源的输入频率大于减震结构的第六阶固有频率后，减震结构基本不震动，减震效果良好。
通过上述分析可知，本申请实施例可以通过理论分析、有限元仿真分析和实验测定综合评估减震结构的减震效果。
以某款云台为例，进行了三种方法的数据对比，如下表4所示：
表4多种方式获得的减震结构的固有频率(单位:Hz)
Figure BDA0002694849710000132
从表4中数据可知，三者第三阶的共振频率点偏差较小，故可以互相论证，计算方法的正确性；有限元仿真计算和实验，均可以得到其它各阶的固有频率，且可以看到其它各阶的振动状态，故数据更加完整。通过上述方法的设计，可以更加准确的根据设计目标，完成减震结构的设计，实现隔振的目的。
本申请实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行本申请实施例提供的减震结构的效果评估方法。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序可由处理器执行以完成本申请实施例提供的减震结构的效果评估方法。
在本申请所提供的几个实施例中，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (10)

1.一种减震结构的效果评估方法，其特征在于，包括：
构建减震结构的有限元仿真模型；
响应用户输入，配置所述有限元仿真模型中每个零件的材料属性以及边界条件；
根据预设的模式数，对所述有限元仿真模型进行模态分析，确定所述有限元仿真模型的各阶固有频率；
比较所述各阶固有频率与震动源的震动频率之间的大小，确定所述减震结构的减震效果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述有限元仿真模型在自重状态下的最大变形量，计算所述减震结构在竖直方向的固有频率；
若所述竖直方向的固有频率与任意一阶的固有频率之间的差距小于阈值，确定所述有限元仿真模型准确。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述有限元仿真模型在自重状态下的最大变形量，计算所述减震结构在竖直方向的固有频率，采用以下公式：
Figure FDA0002694849700000011
其中，f表示固有频率，g表示重力加速度，δst表示最大形变量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述响应用户输入，配置所述有限元仿真模型中每个零件的材料属性以及边界条件，包括：
根据已知的减震材料的硬度，计算所述减震材料的弹性模量；
响应用户输入，配置所述有限元仿真模型中每个零件的密度、弹性模量以及泊松比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据已知的减震材料的硬度，计算所述减震材料的弹性模量，采用以下公式：
Figure FDA0002694849700000021
其中，HS表示减震材料的硬度，E表示弹性模量。
6.一种震动实验装置，其特征在于，包括：
震动台，用于根据设定的参数，产生相应的震动；
测试工装，固定在所述震动台上，用于安装待测减震组件；
待测减震组件，安装于所述测试工装，远离所述震动台的端面下；所述待测减震组件包括：减震球；位于所述减震球上的采集板；悬挂在所述减震球下的负载；以及连接负载的惯性测量单元。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述惯性测量单元包括三轴陀螺仪以及三轴加速度计。
8.一种减震结构，其特征在于，包括：
机体连接架，用于与机体刚性连接；
减震球挂架；
减震球，分别与所述机体连接架和减震球挂架刚性连接；
被挂设备，与所述减震球挂架刚性连接。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行权利要求1-5任意一项所述的减震结构的效果评估方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序可由处理器执行以完成权利要求1-5任意一项所述的减震结构的效果评估方法。
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CN118586254A (zh) * 2024-08-07 2024-09-03 广东电网有限责任公司中山供电局 基于动力时程分析的电抗器减隔振系统仿真计算方法
CN118586254B (zh) * 2024-08-07 2024-10-22 广东电网有限责任公司中山供电局 基于动力时程分析的电抗器减隔振系统仿真计算方法

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