一种橡胶隔振器非线性行为建模与其参数辨识方法技术

本发明专利技术提供了一种橡胶隔振器的非线性行为建模与其参数辨识方法，一方面是提供一种有用且准确的非线性橡胶隔振器模型，以模拟其在高水平脉冲激励下的非线性响应行为；另一方面是提供一种无需考虑橡胶参数与其变形之间的非线性关系即可获得橡胶隔振器非线性参数的新方法

【技术实现步骤摘要】
一种橡胶隔振器非线性行为建模与其参数辨识方法


[0001]本专利技术属于卫星
、
导弹等装备的隔振
，主要为橡胶隔振器的非线性行为预测和高载荷脉冲下橡胶隔振器参数表征的
，具体涉及一种橡胶隔振器非线性行为建模与其参数辨识方法
。

技术介绍

[0002]橡胶隔振器广泛用于卫星或导弹的高精度导航制导设备中，以减少在发动机点火，火箭级间分离和机构释放过程中火工分离装置引起的振动干扰和冲击破坏
。
同时，在火工分离装置的工作中通常会产生量值很高的冲击过载，这将导致卫星和导弹结构中出现高振幅和短时脉冲激励
。
这种高水平的冲击可能会使橡胶隔振器的减振能力失效，并可能反而增大隔离系统的加速度响应，从而导致精确的有效载荷失效
。
[0003]在橡胶变形较低时，载荷与响应之间几乎是呈线性关系，当变形较大时，橡胶的力学性能将从线性向非线性转变
。
此时传统的静态加载实验已无法测量橡胶在高振幅脉冲下的力学行为参数，也无法评估其在导弹
、
火箭发射等高过载状态下的工作效能
。
[0004]因此，为了解决橡胶隔振器的非线性行为并分析精密制导设备的响应，需要一种能够准确描述高振幅脉冲下的橡胶隔振器模型，并且能够通过实验准确辨识出模型参数
。
目前，现有的一些非线性模型，既不能准确描述组件或材料特性所需的复杂性和参数数量，也不能预测系统在幅度变化范围加大工况下的非线性响应
。
同时，当橡胶隔振器面对高振幅脉冲响应时，现有的辨识方法不具备对橡胶隔振器非线性进行参数识别的能力
。
因此，构建橡胶隔振器的非线性行为预测模型并开发其非线性参数的辨识方法，对于指导橡胶隔振器的参数设计
、
选择及验收，避免其在飞行中发生故障进而影响飞行器正常工作，具有重要的意义
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术的不足之处，而提供一种橡胶隔振器非线性行为建模与其参数辨识方法，一方面是提供一种有用且准确的非线性橡胶隔振器模型，以模拟其在高水平脉冲激励下的非线性响应行为；另一方面是提供一种无需考虑橡胶参数与其变形之间的非线性关系即可获得橡胶隔振器非线性参数的新方法
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术解决方案是：
[0007]一种橡胶隔振器非线性行为建模及其参数辨识方法，具体包括以下步骤：
[0008]1)
正弦扫频法测量得到所述隔离系统的模态频率和阻尼，将其代入传统的强迫振动方程来计算橡胶隔振器的线性刚度和阻尼，由此辨识出橡胶隔振器的线性参数，即确定参数；
[0009]所述隔离系统由质量和橡胶隔振器组成；
[0010]2)
开展随振幅变化和输入脉冲延迟时间变化的跌落测试，并记录与时间有关的输入脉冲冲击信号和所述隔离系统加速度响应信号，即记录真实输入脉冲和真实脉冲响应；
[0011]3)
将步骤
2)
记录的输入脉冲信号数据
(
即真实输入脉冲
)
和步骤
1)
识的橡胶隔振器线性参数代入非线性橡胶隔振器模型中，并将该模型的其他系数配置为初始假设参数，即初始参数；随后通过数值方法计算其冲击响应值，即计算脉冲响应；
[0012]所述非线性橡胶隔振器模型由幅度相关回复力模型和频率相关回复力模型组成，分别用于描述橡胶材料的振幅和频率相关效应；其中，幅度相关回复力模型包括粘弹性单元
K
v
和非线性弹性单元
K
e
；频率相关回复力模型包括分数阶阻尼模型和线性阻尼模型；基于橡胶隔振器的非线性力学模型，将由质量和橡胶隔振器组成的隔离系统简化为一阶非线性振子；据此
(
即根据简化后的一阶非线性振子
)
，建立加速度脉冲驱动的隔振器动力学方程，即模型如下：
[0013][0014]其中，
m
是系统质量的权重，
c
是线性阻尼系数，
b
是分数阻尼系数，
f
和
N
分别是描述摩擦力的函数和增塑力的函数；
[0015]4)
实验测量和数值模拟的加速度响应的幅度
(
分别为真实脉冲响应和计算脉冲响应
)
以及持续时间作为特征参数，并将特征参数作为
MLFF
神经网络输入层的输入参数，以减小参数识别过程中的计算量；
[0016]5)
搜寻每个神经路径的绝对值之和的最小值，来获取橡胶隔振器的参数，可通过减少空间序列二次
(SQP)
编程方法实现
(
具体是：选择仿真和测量中加速度响应的幅度和持续时间之间的差异作为目标函数，通过在网络中应用
SQP
方法使其达到最小值
)
，如下所示：
[0017][0018]其中，
F
是目标函数，
y
i
指每一个神经网络的输出值，这里指仿真和测量中加速度响应的幅度和持续时间之间的差异；
[0019]6)SQP
方法增加了用于更新非线性隔振器模型中每个参数的能力；因此，在所述非线性橡胶隔振器模型中使用已知的跌落测试输入冲击和更新的参数在模型中重新计算隔离系统的响应
(
操作中首先会给出一个适当的参数范围，在搜索过程中，隔离系统的参数通过每次迭代在上限和下限之间更新，并沿着目标函数的向下梯度方向逼近实际值；更新参数的次数就可有人为设定具体的次数，当更新完一定次数后向下进一步对比是否实现最优目标
)
，然后将其与测试结果一起传输到神经网络，以计算目标函数
(
即模型计算与测量加速度响应的幅度和持续时间之差
)
；
[0020]7)
迭代循环步骤
3)
‑
步骤
6)
，当迭代次数超过限制且目标函数接近最小值时，该迭代循环停止；
[0021]如果在识别过程允许迭代中获得优化结果，则系统中橡胶隔振器的相应参数为辨识结果，并将其导出到所述非线性橡胶隔振器模型中，以描述所述隔离系统的非线性行为；如果优化在最大迭代次数后失败，则将重置初始参数，并将重新执行识别过程；即若经过一定人为设定数量的参数更新后计算的结果得到了最优，则导出识别参数；如果还没有达到最优，则将现有参数作为初始参数进行迭代，重复过程
。
[0022]进一步地，步骤
2)
中，在跌落测试系统中，由加速度传感器和仪器记录与时间有关的输入脉冲冲击信号和所述隔离系统加速度响应信号，即记录真实输入脉冲和真实脉冲响
应
。
[0023]进一步地，步骤
3)
中，式
(1)
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种橡胶隔振器非线性行为建模及其参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)
通过正弦扫频法测量得到隔离系统的模态频率和阻尼，将其代入强迫振动方程来计算橡胶隔振器的线性刚度和阻尼，由此辨识出橡胶隔振器的线性参数；所述隔离系统由质量和橡胶隔振器组成；
2)
多次开展随振幅变化和输入脉冲延迟时间变化的跌落测试，并记录与时间有关的输入脉冲冲击信号和所述隔离系统加速度响应信号；
3)
将步骤
2)
记录的输入脉冲信号数据和步骤
1)
已辨识的橡胶隔振器线性参数代入非线性橡胶隔振器模型中，并将该模型的其他系数配置为初始假设参数，随后通过数值方法计算其冲击响应值；所述非线性橡胶隔振器模型由幅度相关回复力模型和频率相关回复力模型组成，分别用于描述橡胶材料的振幅和频率相关效应；其中，幅度相关回复力模型包括粘弹性单元
K
v
和非线性弹性单元
K
e
；频率相关回复力模型包括分数阶阻尼模型和线性阻尼模型；模型如下：其中，
m
是系统质量的权重，
c
是线性阻尼系数，
b
是分数阻尼系数，
f
和
N
分别是描述摩擦力的函数和增塑力的函数；
4)
选取实验测量和数值模拟的加速度响应的幅度以及持续时间作为特征参数，并将特征参数作为
MLFF
神经网络输入层的输入参数；
5)
通过搜寻每个神经路径的绝对值之和的最小值，来获取橡胶隔振器的参数，通过减少空间序列二次编程方法实现，如下所示：其中，
F
是目标函数，
y
i
指每一个神经网络的输出值，指仿真和测量中加速度响应的幅度和持续时间之间的差异；
6)
在所述非线性橡胶隔振器模型中使用已知的跌落测试输入冲击和更新的参数重新计算隔离系统的响应，然后将其与测试结果一起传输到神经网络，以计算目标函数；
7)
迭代循环步骤
3)
‑
步骤
6)
，当...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖和业，陈白冰，周杰，闫铭，王昊宇，王昊，徐驰朕，白俊强，余培汛，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：