一种流体惯容器的非线性模型及其参数确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种流体惯容器的非线性模型及其参数确定方法，特指一种基于多工 况力学性能试验的非线性流体惯容器模型参数确定方法。
【背景技术】
[0002] 惯容器自2002年由英国剑桥大学Smith教授提出W来，其优越的隔振潜力已经在 车辆悬架、建筑物隔振、火车悬架等各个领域得到证实。目前应用较为广泛的惯容器装置有 齿轮齿条式、滚珠丝杠式、液压-累式及流体式惯容器。然而对于实际应用的惯容器装置来 说，其实际力学性能受多种多样的非线性因素的影响，比如齿轮齿条式及滚珠丝杠式惯容 器就包含着背隙、弹性效应、摩擦力等非线性因素的影响。
[0003] 国际PCT专利201080035037.8最早提出了流体惯容器的概念并给出了惯质系数的 推导公式。国外学者通过分析流体动力学的影响机理发现，流体惯容的力学性能主要受寄 生阻尼的影响，且此寄生阻尼效应具有强非线性特点。然而，由于其强非线性因素的影响， 难W建立其精确的数学模型。因此，如何准确掌握流体惯容器的非线性动力学模型及确定 其模型参数成为工程应用中面临的主要难题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出一种流体惯容器的非线性模型及其参数确定方法，从而准 确掌握流体惯容器的动力学特性。
[0005] 为实现W上发明目的，本发明采用的技术方案是：一种流体惯容器的非线性模型 及其参数确定方法，包括W下步骤：
[0006] 步骤1，基于对流体惯容器的力学性能输出影响机理的分析，首先建立流体惯容器 的非线性模型，所述流体惯容器的非线性模型包括摩擦力模型、阻尼力模型和惯性力模型， 所述Ξ种力学模型的关系为并联连接；
[0007] 步骤2,根据非线性流体惯容器力学输出的解析表达式，在不同工况下对流体惯容 器进行力学性能试验，W获取模型参数求解所必须的力学信号输出、激励输入位移信号； [000引步骤3,通过力传感器采集各工况下的力学信号输出，并通过加权处理获取其输出 力幅值的均值信号;通过分析求解的激励输入位移信号求取各工况下激励输入速度信号； [0009]步骤4,依据非线性流体惯容器力学输出的解析表达式，建立包含待求解的非线性 模型参数、力学信号输出和激励输入速度信号的模型参数关系矩阵，对非线性模型参数矩 阵进行求解。
[0010]进一步，所述摩擦力模型为库仑摩擦模型，具体为f = f日sign(v)，式中，f日为摩擦力 的幅值，其大小为定值;sign(v)为符号函数，V为流体惯容器两端点的相对速度，当v>0时， 其值为-1，当v<0时，其值为1，当v = 0时，其值为0。
[0011]进一步，所述阻尼力模型为非线性阻尼力模型，主要源自于流体的寄生阻尼力与 流经管道与管道口的压力损失，其大小可用式Fc = Civ2+C2V表示，方向始终与速度方向相 反，V为流体惯容器两端点的相对速度，Cl为速度平方项的阻尼系数，C2为速度项的阻尼系 数。
[0012] 进一步，所述惯性力模型为理想的线性惯容器模型，具体为：机= ba，b为惯质系 数，可由结构设计参数计算获得。
[0013] 进一步，所述步骤2包含Ξ种不同的试验工况，具体为：工况1:输入端的输入位移 为Ξ角波形输入，振幅为Ai，激振频率为fi;工况2:输入端的输入位移为Ξ角波形输入，振幅 为A2，激振频率为f 2 ;工况3:输入端的输入位移为Ξ角波形输入，振幅为A3，激振频率为f 3。 其中，等式Ai = A2=A3与fl = f2 = f3不同时成立。
[0014] 进一步，所述步骤3中的力学信号输出由激振头自带的力传感器获得，并对其进行 求均值处理。
[0015] 进一步，所述步骤4中所建立的模型参数关系矩阵为：
[0016] AX=F
[0017] 其中，A为计算得到速度信号组成的矩阵：
[001 引
[0019] X为待求解的参数矩阵：
[0020] X=[f Cl C2]
[0021] F为采集到的力信号矩阵：
[0022] F=化 F2 的]。
[0023] 采用本发明的有益实施效果是：
[0024] 1)所提出的流体惯容器非线性动力学模型包含了库仑摩擦力模型，非线性阻尼力 模型和理想线性惯性力模型。在理想线性的惯性力模型的基础之上，并联了库仑摩擦力与 流体非线性阻尼力模型，所建立的非线性阻尼力模型全面反应了惯容器内流体流动的动力 学特性，较好的拟合了寄生阻尼效应及对流体惯容器力学输出的作用规律，可充分反应非 线性因素对其力学性能的影响。
[0025] 2)所提出的流体惯容器非线性模型参数确定方法是依据其力学输出解析表达式， 且立足于力学性能试验的基础上，通过试验测试检验动力学模型构建的有效性。所述不同 工况的力学性能试验工况简单，便于开展，且数据采集处理简便精确，可消除个别奇异数据 的不良影响。相较于传统建模及参数求解方法，本发明提供的技术方案更精确，更便于工程 应用。相较于基于智能预测算法的模型构建，本发明掌握了具体的模型参数，便于复杂动力 学模型的构建。
【附图说明】
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0027] 图1是一种流体惯容器的非线性动力学模型示意图。
[0028] 图2是一种流体惯容器的非线性模型及其参数确定方法流程图。
[0029] 图3是Ο.ΙΗζΞ角波输入下的位移曲线图。
[0030] 图4是Ο.ΙΗζΞ角波输入下的力学输出曲线图。
[0031] 图5是0.甜Ζ正弦输入下的试验与仿真对照图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图W及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并 不限于此。
[0033] 如图1所示，本发明所提出的一种流体惯容器的非线性模型及其参数确定方法，其 非线性动力学模型包括库仑摩擦力模型，非线性阻尼力模型和理想线性惯性力模型，所述 Ξ种力学模型关系为并联连接，q为激振头的位移输入，f为库仑摩擦力，b为惯质系数，C为 非线性阻尼系数。
[0034] 其中，库仑摩擦力模型为：
[0035] f = f〇si 即（V)
[0036] 式中，fo为摩擦力的幅值，其大小为定值。sign(v)为符号函数，V为流体惯容器两 端点的相对速度，当v>0时，其值为-1，当v<0时，其值为1，当v = 0时，其值为0。
[0037] 非线性阻尼模型主要源自于流体的寄生阻尼力与流经管道与管道口的压力损失， 其大小可用式Fc = Civ2+C2V表示，方向始终与速度方向相反，V为流体惯容器两端点的相对 速度，Cl为速度平方项的阻尼系数，C2为速度项的阻尼系数。
[0038] 惯性力模型为理想线性的惯容器模型，具体为:机= ba，b为惯质系数，本实施例中 b为370kg。
[0039] 如图2所示，其非线性模型参数确定方法包括W下步骤：
[0040] (1)首先，基于对流体惯容器的力学性能输出影响机理的分析，建立包含库仑摩擦 力、非线性阻尼力和惯性力在内的非线性流体惯容器动力学模型，并建立非线性流体惯容 器力学输出的解析表达式为：
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