一种面向冲击波形发生装置阻尼孔的优化设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种面向冲击波形发生装置阻尼孔的优化设计方法，根据装置孔口的流量特性和活塞的受力状态，建立系统的仿真模型；然后在仿真模型的基础上建立数量不确定的阻尼孔优化模型，选择每排阻尼孔数量为设计变量，将仿真波形与标准波形的最大误差作为目标函数，利用靠近全局最优点的阻尼孔数量初始组合设置算法的约束条件，使用子集模拟算法求解优化模型，当优化算法满足终止收敛准则时，选取目标函数值最小的组合为最佳方案。本发明专利技术充分利用了子集模拟算法在解决全局优化问题上所具有的优势，避免了优化求解时收敛到局部最佳点，计算效率低等弊端；优化后波形曲线满足冲击试验标准要求，对指导冲击波形发生装置阻尼孔的设计具有重要意义。孔的设计具有重要意义。孔的设计具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种面向冲击波形发生装置阻尼孔的优化设计方法


[0001]本专利技术涉及冲击波形发生装置优化设计领域，具体涉及一种面向冲击波形发生装置阻尼孔的优化设计方法。

技术介绍

[0002]冲击波形发生器是用于产生各种形状的冲击脉冲波形装置，是冲击、碰撞试验台的重要组成部分之一。对于一些高量值、大脉宽、长行程的冲击波形，需使用专用的冲击波形发生器。目前国内主要使用油阻尼类多孔式冲击波形发生器。然而该类设备在力学模型上存在理论误差，产生的冲击脉冲波形难以符合标准规定的要求。如何使其产生符合标准规定要求的冲击脉冲，提高试验结果的置信度，成为从事振动冲击环境试验的研究人员十分关注的问题。
[0003]在实际使用中，一般采用分析与试验相结合的手段以产生规定的脉冲波形。根据标准加速度波形计算被试物体最大行程和最大速度等参数，然后由这几个参数估算油阻尼波形发生器内缸的初压力、活塞面积、油孔形式以及尺寸等，最后通过跌落试验来调整每排阻尼孔的开闭数量，使产生的脉冲波形满足冲击试验标准所规定的容差。然而这种方法存在各种限制，不能全面地考虑各种设计参数对波形形状的影响，因此产生的波形大多在下降沿超出冲击试验标准所规定的容差，严重影响冲击试验结果的置信度。因此，如何使其产生符合标准规定要求的脉冲波形，提高试验结果的置信度，成为从事振动冲击环境试验的研究人员十分关注的问题。

技术实现思路

[0004]为了克服现有方法的技术与不足，解决冲击波形发生装置波形失真度大，负峰值超差严重等问题，本专利技术提出了一种面向波形发生装置阻尼孔的优化设计方法，采用的技术方案如下：
[0005]步骤1，根据冲击波形发生装置的模型参数建立冲击过程系统仿真模型。取试验台面为研究对象，根据牛顿第二定律和小孔阻尼节流原理，冲击过程系统的动态数学模型如下式所述：（1） （2）式（1）为被试物体的运动微分方程，其中M为被试物体的总质量，x为物体运动位移，t为物体运动时间，为小孔节流阻尼力，g为重力加速度；式(2)为对应冲击加载位移处被试物体受到的阻尼力，其中为油液密度，为装置内缸横截面积，u为物体运动速度，为小孔过流系数，为小孔面积。为有效节流小孔数量；采用四阶龙格库塔法和三次插
值法对上述数学模型进行数值求解。
[0006]步骤2，根据所需加载的波形获得子集模拟的先验信息，即靠近全局最优点的阻尼孔数量初始组合。标准脉冲冲击试验规定了三种波形，即半正弦波，三角波以及梯形波，测试部件根据用途及使用环境的不同，需选择上述波形中不同类型的波形。
[0007]步骤3，以每排阻尼孔数为设计变量，利用阻尼孔数量初始组合给定约束条件设置每排阻尼孔数的变化范围，以仿真波形与标准波形绝对误差最小为优化目标函数，建立数量不确定的阻尼孔优化模型：（3）其中，为各排阻尼孔数量，和分别为阻尼孔初始值的最小值和最大值，为绝对误差，为求解得到的仿真加速度值，为对应时间节点的标准加速度值，s为阻尼孔排数。
[0008]步骤4，选择输入变量的分布参数。在原始优化问题中，每个设计变量均为一个确定性参数，在子集模拟优化算法中，人为地为每个设计变量选定一个概率密度函数(PDF)。问题含有s个设计变量，相应设计变量的概率密度函数为，则所有设计变量的联合概率密度函数为。
[0009]步骤5，利用直接蒙特卡洛方法生成N个独立同分布样本。每个样本有s个元素，即，其中从中获得，j=1,
…
,s。然后计算各随机样本的目标函数值W并将其升序排列，即有。中的下标“1”表示目标函数值是在进行第一层模拟时求得的。给定第一次模拟的条件概率为，样本总数为N，选取第个样本以及相应的，定义第一个中间事件集合。确定后，有个样本的目标函数值小于，该集合可以为下一层模拟提供“种子”样本。
[0010]步骤6，使用MMH算法生成中间事件的条件样本。在第k层迭代中，从上一层模拟事件中的每个样本开始生成相同分布的Markov链。由于初始“种子”样本服从期望分布，所有Markov链是平稳的，且链上的样本均服从期望分布。每个Markov链的长度为，其中为上一层模拟的条件概率，与第一层模拟的概率相同。将生成的新样本与上一层模拟所提供的“种子”样本进行合并，重新按照样本对应的目标函数值进行升序排序。从升序序列中确定第个样本及相应的目标函数值，于是目标函数值小于的样本被选为下一层模拟的“种子”样本。
[0011]步骤7，判断当前层模拟状态是否满足终止判据，若不满足则跳转至步骤6。
[0012]步骤8，选择当前模拟层对应目标函数值最小的方案为阻尼孔数量最佳组合方案。
[0013]作为优选，步骤3中，人为选定的随机分布为截断正态分布，且截断正态分布能够直接考虑设计变量的简单几何边界约束，分布的概率密度函数由下式给出：（4）式中：为标准正态分布的概率密度函数；为标准正态分布的累积分布函数，并且定义域为。均值尽可能地靠近全局最优值点，即将定义域的中心作为均值或者根据可用的先验信息选定。标准差为设计变量定义域区间长度的1/6。
[0014]作为优选，步骤5中第一次模拟的条件概率和步骤6中第k层迭代的条件概率数值相同，选取的最佳区间为。
[0015]作为优选，步骤7中算法终止收敛判据有两种。具体表述由下式给出：（5）式中是第k层模拟前个所得样本标准差的估计值，是算法收敛的阈值。
[0016]本专利技术提供的一种面向波形发生器阻尼孔的优化设计方法具有以下优点：1、该方法利用子集模拟算法对建立的优化模型进行求解，得到阻尼孔数量最佳组合方案，使产生的波形更加接近理想曲线，提高冲击试验结果的置信度；2、相较于其他随机优化算法，子集模拟算法在求解时可以避免收敛到局部最佳点，计算效率低等弊端，具有更快的收敛速度以及更好的准确性。
附图说明
[0017]图1为本专利技术一个实施例的流程图；图2为本专利技术一个实施例的波形发生器结构图；图3为本专利技术一个实施例的半正弦波形允差判别图；图4为本专利技术一个实施例的优化算法迭代收敛过程图。
[0018]附图标记：1
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内缸，2
‑
外缸，3
‑
活塞杆，4
‑
阻尼孔。
实施方式
[0019]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0020]子集模拟是一种高效的蒙特卡洛模拟方法，最初被用于求解高维小失效概率结构可靠性问题，后期研究中为了在可靠性问题的框架下求解优化问题，将一个极值事件(优化问题)看作是一个稀有事件(可靠性问题)的特例。下面介绍子集模拟的基本概念以及方法原理。
[0021]考虑如下无约束全局优化问题：（6）。
[0022]人为地令设计变量为随机变量并且指定概率分布类型，因此得到的目标函数也是随机变量，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向冲击波形发生装置阻尼孔的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立冲击过程系统的仿真模型；步骤2，根据测试时使用的标准脉冲波形获得子集模拟的先验信息，即靠近全局最优点的阻尼孔数量初始组合；步骤3，选择每排阻尼孔数为设计变量，基于阻尼孔数量初始组合给定约束条件，设置每排阻尼孔数的变化范围，以仿真波形与标准波形绝对误差最小为优化目标函数，建立数量不确定的阻尼孔优化模型；步骤4，选择输入变量的分布参数：为每个设计变量选定一个概率密度函数PDF；优化问题含有s个设计变量，相应设计变量的概率密度函数为，则所有设计变量的联合概率密度函数为；步骤5，利用直接蒙特卡洛方法生成种子样本，计算所有样本的目标函数值，给定自适应确定事件，对所有样本进行划分，为下一层模拟提供种子样本；步骤6，使用MMH算法从步骤5得到的种子样本中生成中间事件的条件样本，并与步骤5得到的“种子”样本合并，为下一层模拟提供种子样本；步骤7，判断当前层模拟状态是否满足终止判据，若不满足则跳转至步骤6，否则选择当前模拟层对应目标函数值最小的方案为阻尼孔数量最佳组合方案。2.如权利要求1所述的一种面向冲击波形发生装置阻尼孔的优化设计方法，其特征在于，步骤1中，所述仿真模型具体为：取被试物体为研究对象，根据牛顿第二定律和小孔阻尼节流原理，冲击过程系统的动力学方程如下式所述：(1)(2)式(1)为被试物体的运动微分方程，其中M为被试物体的总质量，x为物体运动位移，t为物体运动时间，为小孔节流阻尼力，g为重力加速度；式(2)为对应冲击加载位移处被试物体受到的阻尼力，其中为油液密度，为装置内缸横截面积，u为物体运动速度，为小孔过流系数，为小孔面积，为有效节流小孔数；采用四阶龙格库塔法和拉格朗日插值函数对所述仿真模型进行数值求解。3.如权利要求1所述的一种面向冲击波形发生装置阻尼孔的优化设计方法，其特征在于，步骤3中，所述阻尼孔优化模型具体为： (3)其中，为各排阻尼孔数量，和分别为阻尼孔初始值的最小值和最大值，为绝对误差，为求解得到的仿真加速度值，为对应时间节点的标准加速度值，s为
阻尼孔排数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凡，李洪双，李亦，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：