非线性调谐惯性质量阻尼器优化设计方法及系统与流程

本技术涉及结构振动被动控制，具体涉及一种非线性调谐惯性质量阻尼器优化设计方法及系统。

背景技术：

1、惯容器（inerter）是一种两端点惯性元件，其两端相对加速度与输出力成正比，比例系数为惯容系数 b。相比传统质量元件，惯容器可以在不显著增加物理质量的前提下，提供百倍甚至数千倍的等效惯性质量，因此在结构振动控制领域具有广阔应用前景，其中，滚珠丝杠式惯容器（ball-screw inerter）是工程应用最广、技术最成熟的一种形式，基本工作原理为：当两端承受轴向力时，相对平移运动通过滚珠丝杠副转化为旋转体的旋转运动，从而利用飞轮和螺杆的转动惯量产生惯性效应。该类型惯容器具有传递效率高（>90%）、摩擦损失小、易于加工、结构紧凑等优点，已在车辆悬挂系统、机械转向补偿器、直升机隔振系统中得到应用。

2、当前，tmdi的调谐参数（刚度和阻尼）普遍是基于理想线性惯容器力学模型进行设计，如den hartog定点理论、 优化、 优化等方法，大量试验研究表明，实际滚珠丝杠惯容器在宽频带、变幅值激励下表现出显著的非线性动力行为，由于非线性因素导致基于理想线性模型设计出的调谐惯性质量阻尼器在实际工作中往往偏离最优调谐状态，控制效率显著下降。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种非线性调谐惯性质量阻尼器优化设计方法及系统，能够克服现有技术将非线性因素笼统归为制造误差而无法量化的缺陷，为后续调谐设计提供了物理准确的模型基础。

2、本技术实施例的第一方面提供了一种非线性调谐惯性质量阻尼器优化设计方法，所述方法包括：

3、获取受控结构的关键参数，确定目标惯质比和质量比，并计算目标惯容系数；

4、根据所述目标惯容系数设计并加工滚珠丝杠惯容器；

5、对所述滚珠丝杠惯容器开展动力试验，获取非线性响应数据；

6、构建滚珠丝杠惯容器的非线性力学模型，并基于所述非线性响应数据识别模型参数；

7、将所述非线性力学模型转化为三元件并联的等效线性模型；

8、基于所述等效线性模型优化设计调谐惯性质量阻尼器的调谐参数，通过仿真或试验验证控制效果，若不满足要求则返回参数识别步骤进行迭代。

9、在一种可能的实施方式中，所述对所述滚珠丝杠惯容器开展动力试验，获取非线性响应数据，包括：

10、采用正弦位移加载方式，以受控结构的模态频率为固定加载频率，设置不同加载位移幅值，测试加载幅值对惯容器非线性的影响；

11、以固定加载位移幅值为基础，设置不同加载频率，测试加载频率对惯容器非线性的影响；

12、记录所有加载工况下位移时程和反力时程，每个工况稳定记录十个或十个以上周期的数据结果，得到非线性响应数据。

13、在一种可能的实施方式中，所述构建滚珠丝杠惯容器的非线性力学模型，包括：

14、基于预紧螺母消除间隙的前提，将非线性影响确定为摩擦、螺杆阻尼、螺杆刚度、非线性惯容系数；

15、将滚珠丝杠惯容器的物理传力路径拆分成传动副段和螺杆本体段的两段串联结构，对应定义螺帽端节点、螺杆与飞轮交接的中间节点、飞轮端节点；

16、针对中间节点与螺帽端节点之间的螺杆本体段，构建螺杆本体段的出力模型；

17、针对飞轮端节点与中间节点之间的传动副段，构建传动副段的出力模型；

18、根据两段串联受力相等的原则，联立所述螺杆本体段的出力模型和传动副段的出力模型，得到滚珠丝杠惯容器的非线性力学模型。

19、在一种可能的实施方式中，所述针对中间节点与螺帽端节点之间的螺杆本体段，构建螺杆本体段的出力模型，包括：

20、以中间节点与螺帽端节点的相对位移为输入，基于胡克定律构建螺杆刚度受力模型，螺杆刚度力与两节点的相对位移成正比；

21、以中间节点与螺帽端节点的相对速度为输入，基于粘性阻尼定律构建螺杆阻尼受力模型，螺杆阻尼力与两节点的相对速度成正比；

22、将螺杆刚度受力模型与螺杆阻尼受力模型并联布置，二者两端相对运动一致，螺杆本体段的总出力为螺杆刚度力与螺杆阻尼力的叠加，得到螺杆本体段的出力模型。

23、在一种可能的实施方式中，所述针对飞轮端节点与中间节点之间的传动副段，构建传动副段的出力模型，包括：

24、以飞轮端节点与中间节点的相对加速度为输入，基于惯容器出力与相对加速度成正比的本构定义，构建等效惯容受力模型；

25、基于库伦摩擦定律构建摩擦受力模型，摩擦力幅值恒定，方向与飞轮端节点和中间节点的相对速度方向相反；

26、将等效惯容受力模型与摩擦受力模型并联布置，二者两端相对运动一致，传动副段的总出力为等效惯容力与摩擦力的叠加，得到传动副段的出力模型。

27、在一种可能的实施方式中，所述基于所述非线性响应数据识别模型参数，包括：

28、设定螺杆刚度、螺杆阻尼、等效惯容系数为恒定常数，设定摩擦系数为随加载频率变化的函数；

29、以非线性力学模型输出的反力与试验实测反力的累计相对误差最小为优化目标，构建目标函数；

30、对目标函数进行优化求解，识别得到各模型参数，并通过多项式拟合得到摩擦系数随加载频率的变化曲线。

31、在一种可能的实施方式中，所述将所述非线性力学模型转化为三元件并联的等效线性模型，包括：

32、以简谐激励下的惯性力等效、弹性力等效、单周期耗能等效为原则，对非线性力学模型进行谐波线性化处理；

33、将等效惯容系数取为参数识别得到的非线性惯容系数；

34、提取试验力信号中与位移同相位的弹性分量，识别得到等效刚度系数；

35、基于试验单周期滞回耗能相等的原则，计算得到等效阻尼系数；

36、由等效惯容系数、等效阻尼系数、等效刚度系数构成三元件并联的等效线性模型，对外出力为惯容力、阻尼力、弹性力的叠加。

37、在一种可能的实施方式中，所述基于所述等效线性模型优化设计调谐惯性质量阻尼器的调谐参数，包括：

38、以等效惯容系数与调谐质量的比值作为等效惯容比，结合调谐质量比，修正得到非线性tmdi的最优调谐频率和最优调谐阻尼比；

39、根据最优调谐频率计算系统总需求刚度，扣除惯容器的等效刚度系数，得到调谐弹簧的设计刚度；

40、根据最优调谐阻尼比计算系统总需求阻尼，扣除惯容器的等效阻尼系数，得到调谐阻尼器的设计阻尼。

41、在一种可能的实施方式中，所述通过仿真或试验验证控制效果，若不满足要求则返回参数识别步骤进行迭代，包括：

42、采用识别参数后的非线性力学模型进行仿真计算，对比等效线性化设计的控制效果与非线性仿真的控制效果；

43、若等效线性化设计的减振效率低于非线性模型的减振效率，则返回重新识别模型参数或调整等效线性化方法，直至满足精度要求。

44、本示例中，提供一种非线性调谐惯性质量阻尼器优化设计方法及系统，首先根据受控结构参数计算目标惯容系数并加工滚珠丝杠惯容器，再对滚珠丝杠惯容器开展变频率、变幅值的动力试验获取非线性响应数据；然后基于滚珠丝杠惯容器传动副与螺杆本体两段串联的物理传力路径，构建包含摩擦、螺杆阻尼、螺杆刚度、非线性惯容系数四种非线性效应的集中参数力学模型，并基于试验数据识别模型参数；接着以惯性力等效、弹性力等效和单周期耗能等效为原则，将非线性力学模型转化为三元件并联的等效线性模型；最后基于等效线性模型优化设计tmdi的调谐频率和调谐阻尼比，并通过扣除惯容器自身等效刚度和等效阻尼的方式修正得到调谐弹簧刚度和调谐阻尼系数，通过仿真或试验验证后迭代直至满足精度要求，包括以下有益效果：

45、1、通过构建包含摩擦、螺杆阻尼、螺杆刚度和非线性惯容系数的集中参数力学模型，并基于宽频带、变幅值动力试验数据识别模型参数，实现了对滚珠丝杠惯容器在结构敏感频带内复杂非线性行为的精确表征，能够克服现有技术将非线性因素笼统归为制造误差而无法量化的缺陷，为后续调谐设计提供了物理准确的模型基础。

46、2、通过将非线性力学模型转化为三元件并联的等效线性模型，并以扣除惯容器自身等效刚度和等效阻尼的方式修正tmdi的调谐弹簧刚度和调谐阻尼系数，使工程设计人员能够直接沿用经典线性设计公式进行参数设计，同时消除了惯容器自身非线性附加刚度和附加阻尼对调谐状态的影响，解决了非线性模型与现有设计理论之间缺乏衔接桥梁的技术难题，使设计结果与实际控制效果精确对应。

47、3、通过建立从惯容器设计加工到试验验证的闭环设计流程，使本示例的惯性质量阻尼器的整个设计过程具备自校正能力，避免了传统方法中试验、建模与tmdi设计相互割裂、设计人员只能依靠经验进行补偿的弊端，提升了设计结果的可靠性。

48、本技术实施例的第二方面提供一种非线性调谐惯性质量阻尼器优化设计系统，所述系统包括：

49、第一模块，用于获取受控结构的关键参数，确定目标惯质比和质量比，并计算目标惯容系数；

50、第二模块，用于根据所述目标惯容系数设计并加工滚珠丝杠惯容器；

51、第三模块，用于对所述滚珠丝杠惯容器开展动力试验，获取非线性响应数据；

52、第四模块，用于构建滚珠丝杠惯容器的非线性力学模型，并基于所述非线性响应数据识别模型参数；

53、第五模块，用于将所述非线性力学模型转化为三元件并联的等效线性模型；

54、第六模块，用于基于所述等效线性模型优化设计调谐惯性质量阻尼器的调谐参数，通过仿真或试验验证控制效果，若不满足要求则返回参数识别步骤进行迭代。

55、本技术实施例的第三方面提供一种终端，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如本技术实施例第一方面中非线性调谐惯性质量阻尼器优化设计方法所述的步骤指令。

56、本技术实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其中，上述计算机可读存储介质存储用于电子数据交换的计算机程序，其中，上述计算机程序使得计算机执行如本技术实施例第一方面中非线性调谐惯性质量阻尼器优化设计方法所描述的部分或全部步骤。

57、本技术实施例的第五方面提供了一种计算机程序产品，其中，上述计算机程序产品包括存储了计算机程序的非瞬时性计算机可读存储介质，上述计算机程序可操作来使计算机执行如本技术实施例第一方面中非线性调谐惯性质量阻尼器优化设计方法所描述的部分或全部步骤。该计算机程序产品可以为一个软件安装包。