耦合动力系统的振动响应仿真方法及减振优化方法与流程

本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种耦合动力系统的振动响应仿真方法，还涉及一种耦合动力系统的减振优化方法。

背景技术：

目前，随着轨道交通领域的飞速发展，人们对产品振动性能的关注度日益提高，振动已成为影响轨道交通车载设备研制成功及核心竞争力的关键。轨道交通车载设备关系到列车运行的动力、网络、控制、能量提供等诸多性能，同时也是列车最重要的激励源，其振动性能好坏直接关系到产品本身的可靠性及乘客乘车舒适度。车载设备结构本身多集成了变压器、电抗器、变流模块、继电器等电磁部件及风机等冷却设备，电磁部件由于工作过程中的磁致伸缩效应会对结构产生较大的电磁激励，继电器的开关作用对结构本身造成冲击，风机等高速旋转设备会由于动平衡效应对结构本身造成较大的激振作用，车载设备的振动将对车体造成激励。结构本身与激励设备采用粘弹性连接(如减振器)是抑制振动传递的有效措施，在轨道交通领域应用广泛(如变压器与变流器柜体、风机与变流器柜体、变流器与车体)。

在产品设计开发阶段，通过有限元仿真对产品进行动态响应校核及结构本身参数优化是工程上较为普遍的动态开发流程。目前，主流有限元软件的动态响应计算常采用的方法有模态叠加法、负特征值法、直接频率响应分析法。然而，这些算法针对粘弹性连接(如减振器)的高阻尼效应的耦合动力系统存在响应结果误差大、计算耗时效率低等缺点。

基于此，亟需一种响应结果误差小且计算效率高的耦合动力系统的振动响应仿真方法及减振优化方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：现有技术中的有限元软件的动态响应计算方法针对粘弹性连接(如减振器)的高阻尼效应的耦合动力系统存在响应结果误差大、计算耗时效率低等缺点。为解决此技术问题，本发明提供了一种耦合动力系统的振动响应仿真方法及减振优化方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种耦合动力系统的振动响应仿真方法，其包括：

对所述耦合动力系统进行分解，得到多个子系统，其中每个子系统不具有粘弹性连接结构；

针对每个子系统，分别执行以下步骤：

对该子系统进行有限元建模，得到该子系统的有限元模型；

对有限元模型进行模态分析，得到该子系统的固有频率和振型矩阵；以及

根据该子系统的固有频率和振型矩阵以及预设的模态阻尼，得到该子系统的传递函数；

根据子系统之间的连接关系，设置子系统之间的连接单元；

利用各个连接单元对所有子系统的传递函数进行组装，得到组装后模型；

利用预设激励对所述组装后模型进行振动响应仿真。

优选的是，所述多个子系统中的至少两个子系统之间通过粘弹性连接结构连接。

优选的是，对所述耦合动力系统进行分解，包括：

对构成所述耦合动力系统的各个部件进行属性分析；

将通过粘弹性连接结构连接的部件，省略粘弹性连接结构，拆分为单独的子系统；

针对不具有粘弹性连接的部件，根据该部件的规模和/或内部构造，确定是否将该部件拆分为单独的子系统。

优选的是，所述粘弹性连接结构为减振器。

优选的是，对子系统进行有限元建模，得到该子系统的有限元模型，包括：

对所述子系统的几何结构进行有限元网格划分，得到多个网格结构；

对每个网格结构施加边界条件并定义单元属性，得到该子系统的有限元模型。

优选的是，利用hypermesh或ansa前处理软件对子系统进行有限元建模。

优选的是，利用nastran软件对有限元模型进行模态分析。

优选的是，根据子系统之间的连接关系，设置子系统之间的连接单元，包括：

针对所有子系统中的任意两个子系统，执行以下步骤：

判断该两个子系统之间是否存在连接；

在该两个子系统之间存在连接的情况下，确定该连接的类型；

当该连接属于粘弹性连接时，确定该两个子系统之间的连接单元为粘弹性单元；

当该连接属于刚性连接时，确定该两个子系统之间的连接单元为刚性单元。

优选的是，利用virtual.lab软件确定子系统的传递函数并设置子系统之间的连接单元。

优选的是，利用virtual.lab软件对所有子系统的传递函数进行组装。

根据本发明的另一方面，提供了一种耦合动力系统的减振优化方法，其包括：

判断基于如上振动响应仿真方法得到的振动响应是否符合预设要求；

在判断出该振动响应不符合预设要求的情况下，利用virtual.lab软件的优化模块对所述耦合动力系统的组装后模型进行优化，以使优化后的振动响应符合所述预设要求。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

应用本实施例的耦合动力系统的振动响应仿真方法及减振优化方法，兼顾计算效率和求解精度，适用于复杂问题的分工合作，对动态特性仿真体系及减振优化流程建设以及减振器选型具有重要指导意义。

附图说明

通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本公开的范围。其中所包括的附图是：

图1示出了根据本发明实施例耦合动力系统的振动响应仿真方法的流程示意图；

图2示出了根据本发明实施例对耦合动力系统进行分解的方法的流程示意图；

图3示出了根据本发明实施例对子系统进行有限元建模的方法的流程示意图；

图4示出了根据本发明实施例设置两个子系统之间的连接单元的方法的流程示意图；以及

图5示出了根据本发明实施例耦合动力系统的减振优化方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方法，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

在详细阐述本发明的各个实施例之前，先对与本发明相关的现有技术进行简要说明。

在现有技术中，主流有限元软件的动态响应计算常采用的方法有模态叠加法、负特征值法和直接频率响应分析法。具体地：

模态叠加法，首先针对无阻尼结构进行模态分析，求得系统的若干低阶固有频率及振型(即振型截断法)，利用振型矩阵关于动力学方程中质量矩阵和刚度矩阵正交的特性，并采用模态阻尼模拟系统阻尼效应，使振动方程解耦，从而高效地求出系统的动力响应。模态叠加法的缺陷在于，针对减振器连接的大型耦合系统，采用模态阻尼无法模拟减振器的高阻尼效应，往往使得结果误差很大。

复特征值法，可以考虑系统不同的阻尼作用，通过有阻尼的正交模态实现求解，所得到的特征值和特征向量均为复数。复特征值法的缺陷在于，需要人为赋予结构不同的阻尼参数，工作量提高，且实际系统阻尼参数难以确定，计算费时，计算量约是上述模态叠加法的5-10倍，对轨道交通领域复杂的多阻尼效应耦合系统，难以直接应用。

直接频率响应分析法，直接求解耦合的结构动力学方程组，可以考虑减振器阻尼作用，得到一系列离散频率点上的振动响应。直接频率响应分析法的缺陷在于，需要求解满阵的方程，计算效率极低，对于轨道交通领域上百万自由度的系统，并承受较宽频激励作用，采用直接频率响应法计算机负担较重。

可见，针对轨道交通领域通过粘弹性连接的大型耦合系统的振动响应计算，如何高效地进行有限元建模、如何同时考虑减振器阻尼与结构本身阻尼和提高计算效率、以及如何指导减振器参数优化是关键。

基于此，本发明实施例提供了一种耦合动力系统的振动响应仿真方法及减振优化方法。下面对本发明的各个具体实施例进行详细阐述。

实施例一

图1示出了根据本发明实施例耦合动力系统的振动响应仿真方法的流程示意图。如图1所示，本实施例的耦合动力系统的振动响应仿真方法主要包括步骤s101至步骤s105。

在步骤s101中，对所述耦合动力系统进行分解，得到多个子系统，其中每个子系统不具有粘弹性连接结构。值得说明的是，本发明实施例针对的耦合动力系统可以是不包括粘弹性连接结构的复杂耦合动力系统，也可以是包括粘弹性连接结构的复杂耦合动力系统。针对后者，分解得到的至少两个子系统之间通过粘弹性连接结构连接。

具体地，参照图2，对所述耦合动力系统进行分解，包括：步骤s201，对构成所述耦合动力系统的各个部件进行属性分析；步骤s202，将通过粘弹性连接结构连接的部件，省略粘弹性连接结构，拆分为单独的子系统；以及步骤s203，针对不具有粘弹性连接的部件，根据该部件的规模和/或内部构造，确定是否将该部件拆分为单独的子系统。在本发明一优选的实施例中，上述粘弹性连接结构为减振器，不具有粘弹性连接的部件为刚性连接结构，且刚性连接结构为螺栓连接结构。

针对多个部件通过减振器和螺栓连接的复杂系统，根据构成该复杂系统的部件的内部连接关系的特点，可以将该复杂系统拆分成若干子系统。子系统拆分原则：将通过减振器连接的部件，拆分为单独子系统；将螺栓连接的部件，根据其复杂程度决定是否拆分为子系统。这里，因为减振器具有高阻尼效应，需在后续定义子系统连接关系时定义阻尼，模拟减振器的高阻尼效应并提高计算精度，所以需要将通过减振器连接的部件拆分成若干单独的子系统。然而，因为螺栓连接有限元建模时通常可简化为刚性单元reb2连接，因此不必须将通过螺栓连接的部件拆分为子系统。这里，值得说明的是，为了振动响应仿真结果的准确性，划分的子系统内部并不涉及粘弹性连接结构，粘弹性连接结构作为子系统之间的一种连接结构。这样，在后续定义阻尼时，可以针对每个粘弹性连接结构分别定义相应的阻尼，有利于更加准确地反映真实的系统。另外，对于复杂的刚性连接部件，将其划分为单独的子系统有利于建模效率的提高。在具体实施过程中，本领域技术人员可根据实际待分析刚性连接部件的复杂程度来确定是否将该刚性连接部分拆分为单独的子系统。

在步骤s102中，对当前子系统进行有限元建模，得到该子系统的有限元模型。

具体地，参照图3，对当前子系统进行有限元建模，包括：步骤s301，对当前子系统的几何结构进行有限元网格划分，得到多个网格结构；以及步骤s302，对每个网格结构施加边界条件并定义单元属性，得到该子系统的有限元模型。

针对单独的子系统，优选地在hypermesh或ansa等专业前处理软件中进行有限元网格划分，并对划分而成的每个网格结构施加边界条件和定义单元属性。在确定边界条件时，在子系统与其他子系统连接节点位置保持自由状态，其他节点的边界条件按照实际情况施加，如约束节点位移、节点自由等。

值得说明的是，hypermesh或ansa前处理软件是本领域普通技术人员常用的用于对系统进行有限元建模的软件，该软件内的建模算法以及具体的操作方法，在本文中不作赘述。

在步骤s103中，对有限元模型进行模态分析，得到该子系统的固有频率和振型矩阵。

具体地，针对当前子系统，利用结构有限元分析软件，优选为nastran软件，进行模态分析。在一定的外界激励作用下，对响应起主要贡献的模态仅为若干低阶模态，无需求得系统的所有模态，从而使得计算效率显著提升。一般工程计算所求模态频率达到激励频率2倍左右已经足够满足计算的要求。

值得说明的是，nastran软件是本领域普通技术人员常用的用于对有限元模型进行模态分析的有限元的软件，该软件内的模态分析算法以及具体的操作方法，在本文中不作赘述。

在步骤s104中，根据该子系统的固有频率和振型矩阵以及预设的模态阻尼，得到该子系统的传递函数。

具体地，针对当前子系统，通过在步骤s103的模态分析得到的子系统固有频率和振型矩阵以及预设的模态阻尼，采用矩阵求逆的方式确定子系统的传递函数，该方法实质是模态叠加法的逆过程。在具体实施过程中，可以利用virtual.lab软件，根据实际情况定义传递函数的输入点和输出点，其中子系统与其他系统连接的点同时定义为传递函数的输入点和输出点。

在步骤s105中，判断是否获取所有子系统的传递函数。在判断出获取到所有子系统的传递函数的情况下，执行步骤s106。在判断出未全部获取到所有子系统的传递函数的情况下，将未处理的子系统之一作为当前子系统，并返回执行步骤s102。

在步骤s106中，根据子系统之间的连接关系，设置子系统之间的连接单元。

在具体实施过程中，此步骤可以在获取子系统的传递函数之前执行，也可以获取所有子系统的传递函数之后执行，本实施例并不限定此步骤的执行顺序。

具体地，参照图4，根据子系统之间的连接关系，设置子系统之间的连接单元，包括：针对所有子系统中的任意两个子系统，执行以下步骤：步骤s401，判断该两个子系统之间是否存在连接；在步骤s402中，在该两个子系统之间存在连接的情况下，确定该连接的类型；在步骤s403中，当该连接属于粘弹性连接时，确定该两个子系统之间的连接单元为粘弹性单元，当该连接属于刚性连接时，确定该两个子系统之间的连接单元为刚性单元；以及步骤s404，在该两个子系统之间不存在连接的情况下，此两个子系统之间的不设置连接单元。

在具体实施过程中，可以利用virtual.lab结构分析的组装分析模块(assemblyanalysis模块)，根据子系统间的连接特点，来建立连接单元。减振器连接可以建立粘弹性单元(在virtual.lab软件中体现为bush单元)，输入6个自由度方向的连接刚度和阻尼。螺栓连接可以建立刚性单元(在virtual.lab软件中体现为刚性单元)。

在步骤s107中，利用各个连接单元对所有子系统的传递函数进行组装，得到组装后模型。

在具体实施过程中，可以利用virtual.lab结构分析的组装分析模块(assemblyanalysis模块)，来实现子系统传递函数的组装。

在步骤s108中，利用预设激励对所述组装后模型进行振动响应仿真。

具体地，利用组装后模型，计算预设激励引起的响应，从而对耦合动力系统进行振动响应仿真，得到振动响应。

实施例二

本实施例是基于实施例一所述的耦合动力系统的振动响应仿真方法的减振优化方法。图5示出了根据本发明实施例耦合动力系统的减振优化方法的流程示意图。如图5所示，根据本发明实施例耦合动力系统的减振优化方法主要包括步骤s501至步骤s503。

在步骤s501中，判断基于实施例一所述的振动响应仿真方法得到的振动响应是否符合预设要求。

在步骤s502中，在判断出该振动响应不符合预设要求的情况下，利用virtual.lab软件的优化模块对所述耦合动力系统的组装后模型进行优化，以使优化后的振动响应符合所述预设要求。

具体地，首先判断通过实施例一所述的振动响应仿真方法得到的振动响应是否符合要求。若振动响应不满足要求，可以利用virtual.lab优化模块，将减振器的连接刚度和阻尼作为优化变量，将振动响应作为优化目标，通过反复迭代优化确定所需的减振器的具体的刚度、阻尼等参数，指导产品减振设计和减振器选型等工作。

本发明实施例耦合动力系统的振动响应仿真方法及减振优化方法的基本原理如下：在振动响应计算中，模态叠加法由于采用振型截断法，使得系统自由度数降低，且利用振型矩阵关于质量矩阵和刚度矩阵正交的特点使得动力方程解耦，求解效率极高，在工程上应用最广。针对轨道交通粘弹性连接的大型耦合系统，由于连接单元的高阻尼效应，不能直接应用模态叠加法求解。应用子结构模态综合法，按照结构的部件组合特点或分析问题的需要将完整的大型结构人为地分割为若干个子结构，首先分析每个子结构的动态特征，保留其主要模态信息，然后根据各子结构界面之间的协调关系，组装得到整体结构的动态特征。该方法兼顾模态叠加法的求解效率，同时能够准确模拟连接单元的高阻尼特征。

本发明实施例的耦合动力系统的振动响应仿真方法及减振优化方法具有以下优点：

(1)子系统分解建模，有利于团队分工合作，提高建模效率50％以上；

(2)以子系统传递函数计算为基础，基于传递函数组装的整体响应计算，兼顾模态叠加法的计算效率同时考虑减振器高阻尼效应，计算效率提高50％以上；

(3)由于各个子系统独立于其他子系统存在，因此在某一子系统设计参数改变时，其他子系统无需重新计算，提高仿真验证效率；

(4)通过virtual.lab组装环境，建立模拟粘弹性连接的单元，既考虑了减振器刚度和阻尼效应，同时方便参数化处理，为后续减振优化提供了良好的优化参数输入，进而指导减振器设计及选型。

可见，应用本实施例的耦合动力系统的振动响应仿真方法及减振优化方法，兼顾计算效率和求解精度，适用于复杂问题的分工合作，对动态特性仿真体系及减振优化流程建设以及减振器的选型具有重要指导意义。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。