基于响应耦合的非线性结合面多段壳体频响函数建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于响应耦合的非线性结合面多段壳体频响函数建模方法。首先利用响应耦合子结构法将多段壳体分成各个子舱段，并将结合面的连接螺栓看作传递路径，根据目标点的响应是各条传递路径响应的叠加原则，建立分段后壳体整体频响函数的响应表达式；之后在分段结合面线性弹簧

【技术实现步骤摘要】
基于响应耦合的非线性结合面多段壳体频响函数建模方法


[0001]本专利技术属于振动控制领域，特别是基于响应耦合的非线性结合面多段壳体频响函数建模方法。

技术介绍

[0002]隐身性能是水下航行器的关键技术之一，决定了水下航行器的生存性能。然而，当水下航行器在一定频率的水介质载荷作用下，会迅速激发其外壳振动幅值，扩大噪声的辐射范围，大大地提高了水下航行器被发现的概率。因此，迫切地需要对水下航行器进行减振降噪研究，提高其隐身性能。在众多的减振降噪方法中，对水下航行器壳体进行结构优化是提高其隐身性能的核心手段，而获取其准确的整体频响函数是进行结构优化的必要条件。目前，获取多段壳体整体频响函数的方法主要有三种：1.锤击实验法2.理论分析法3.整体有限元方法。但是以上三种方法均存在一定的缺陷。实验法虽然精度高，但工作量大；理论分析法结构进行很大的简化；整体有限元方法耗费大量机时。
[0003]在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0004]针对多段壳体结合面多、结合面之间严重非线性及传递路径复杂等特点，本专利技术提出一种基于响应耦合的非线性结合面多段壳体频响函数建模方法。通过响应耦合子结构法将多段壳体进行分段，之后在舱段的结合面加入二次刚度项构造非线性结合面，最后利用传递路径分析解决路径复杂的难点，完成非线性结合面下多段壳体的整体频响函数的建模，从而避免子结构参数改变时重复实验的导致工作量大的缺陷。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现。
[0006]本专利技术的一个方面，一种基于响应耦合和非线性结合面的频响函数建模包括以下步骤：
[0007]第一步骤中，利用响应耦合子结构法将多段壳体进行分段形成子舱段和结合面；
[0008]第二步骤中，根据传递路径方法，将结合面之间的连接螺栓作为传递路径，子舱段目标点处的响应为各条路径响应的叠加；
[0009]第三步骤中，在结合面的线性弹簧
‑
阻尼连接的基础之上加入二次非线性项，构建非线性结合面；
[0010]第四步骤中，对子舱段进行锤击或有限元分析获取相应的频响函数；
[0011]第五步骤中，通过最小二乘法或人工智能算法对结合面的参数进行辨识；
[0012]第六步骤中，将辨识后的结合面的参数和所述频响函数按照传递路径方法进行相乘，得到多段壳体的整体频响函数。
[0013]所述的方法中，第一步骤中，多段壳体分段为指挥舱、结合面和电机舱。
[0014]所述的方法中，第二步骤中，电机舱目标点处的响应为各条路径响应的叠加：
[0015][0016]其中，T
t
(w)为目标点处的总响应；T
s.i
(w)为每条传输路径的三个方向的响应；H
si
(w)为每条传递路径三个方向的传递函数；F
si
(w)为每条传递路径的三个方向的冲击力，n为两舱段的连接螺栓总数，s代表x、y、z三个方向。
[0017]所述的方法中，第三步骤中，在结合面的线性弹簧
‑
阻尼连接的基础之上加入二次非线性项，非线性耦合时域中弹性力表达式：F＝k
non
x2，将时域中的二次非线性项映射到频域中，根据拉普拉斯变换得：电机舱目标点处的振动响应为：
[0018][0019]其中，X
m，s3
(w)是电机舱安装的三向传感器的加速度响应；F
r，s1
(w)为指挥舱敲击位置处x，y，z三个方向的锤击力；k
s2
(w)、c
s2
(w)和k
non，s2
(w)是结合面x，y，z三个方向的连接刚度、连接阻尼和二次非线性连接刚度，是力锤s1方向的力与指挥舱在第i条螺栓位置处s2方向上的位移频响函数；是第i条螺栓在s2方向上受到的力与电机舱传感器位置处在s3方向上的位移频响函数；将目标出振动响应写成分量形式：
[0020][0021][0022][0023]总结成矩阵形式：
[0024][0025]其中，
[0026][0027][0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035]上述式子是包含连接参数的装配体频响函数，其中，的上标m表示电机舱，包括和中的上标f表示指挥舱，包括和k
s2
(w)表示结合面连接刚度，k
s2
(w)包括k
x
(w)、k
y
(w)和k
z
(w)；c
s2
(w)表示结合面连接阻尼，c
s2
(w)包括c
x
(w)、c
y
(w)和c
z
(w)；k
non，s2
表示结合面非线性连接刚度，k
non，s2
(w)包括k
non，x
(w)、k
non，y
(w)和k
non，z
(w)。
[0036]所述的方法中，第四步骤中，便于工程应用，减少实际操作中的工作量，由于多段壳体为圆柱形壳体，选取1/4壳体上的螺栓作为传递路径，对称螺栓处的频响函数相同。
[0037]所述的方法中，第五步骤(S5)中，指挥舱和电机舱用16条螺栓连接，选取对称位置处的4条螺栓进行分析；并且由于壳体z向刚度大，不易变形，对目标点的响应贡献小，故忽略结合面z向的连接参数。那么，横向以及纵向连接参数计算如下：
[0038][0039]其中，
[0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046]其中，表示电机舱段上某条螺栓到目标响应点的频响函数，下标(x，x)表示螺栓点处x向的冲击对目标点处x向的响应；表示指挥舱上敲击点到某条螺栓点的频响函数，下标(x，y)表示螺栓点处y向的冲击对螺栓点处x向的响应，其余相关参数的含义以及命名规则类似。
[0047]参数辨识问题实际为最小二乘问题，即求得一组参数，使得：最小，其中，A为辨识矩阵，b为实验准确值，x为辨识参数的集合。
[0048]所述的方法中，第五步骤中，辨识方法采用最小二乘算法或者其他的人工智能算法，例如蚁群算法和粒子群优化算法。
[0049]水下航行器等工程壳体为多段壳体结构，利用响应耦合子结构将多段壳体分成子结构，对子结构混合使用实验法和有限元法，解决了工作量和精度之间的矛盾。同时，对于子结构之间结合面连接的处理，现有研究使用线性弹簧
‑
阻尼进行拟合。但是对于大型薄壁多段壳体来说，其结合面之间存在严重的非线性，目前方法明显不适于多段壳体的频响函数建模。在结合面线性连接的基础上，加入二次非线性刚度项，从而构造非线性结合面，这样可以更好地揭示大型薄壁结构结合面的特性。本专利技术所提出的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于响应耦合的非线性结合面多段壳体频响函数建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：第一步骤(S1)中，利用响应耦合子结构法将多段壳体进行分段形成子舱段和结合面；第二步骤(S2)中，根据传递路径方法，将结合面之间的连接螺栓作为传递路径，子舱段目标点处的响应为各条路径响应的叠加；第三步骤(S3)中，在结合面的线性弹簧
‑
阻尼连接的基础之上加入二次非线性项，构建多段壳体的非线性结合面；第四步骤(S4)中，对子舱段进行锤击或有限元分析获取相应的频响函数；第五步骤(S5)中，通过最小二乘法或人工智能算法对结合面的参数进行辨识；第六步骤(S6)中，将辨识后的结合面的参数和所述频响函数按照传递路径方法进行相乘，得到非线性结合面下多段壳体的整体频响函数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，多段壳体包括水下航行器、航天器壳体。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步骤(S1)中，多段壳体分段为指挥舱、结合面和电机舱。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第二步骤(S2)中，电机舱目标点处的响应为各条路径响应的叠加：其中，T
t
(w)为目标点处的总响应；T
s，i
(w)为每条传输路径的三个方向的响应；H
s，i
(w)为每条传递路径三个方向的传递函数；F
s，i
(w)为每条传递路径的三个方向的冲击力，n为两舱段的连接螺栓总数，s代表x、y、z三个方向。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第三步骤(S3)中，在结合面的线性弹簧
‑
阻尼连接的基础之上加入二次非线性项，非线性耦合时域中弹性力表达式：F＝k
non
x2，将时域中的二次非线性项映射到频域中，根据拉普拉斯变换得：那么非线性结合面下，电机舱目标点处的振动响应为：其中，X
m，s3
(w)是电机舱安装的三向传感器的加速度响应；F
r，S1
(w)为指挥舱敲击位置处x，y，z三个方向的锤击力；k
s2
(w)、c
s2
(w)和k
non，s2
(w)是结合面x，y，z三个方向的连接刚度、连接阻尼和二次非线性连接刚度，是力锤s1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴武，刘清云，王晨希，陈雪峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：