[发明专利]耦合系统/结构的动力学分析方法和装置

说明书

本发明公开了一种耦合系统的动力学分析方法和装置。所述动力学分析方法包括以下步骤：a)建立耦合系统的模态综合模型，进行耦合系统的复特征值计算分析，找出问题模态；b)针对分析出的问题模态进行子结构模态构成分析；c)针对所述问题模态，进行子结构模态参数灵敏度分析；d)针对所述问题模态，进行所述耦合系统的能量馈入分析；e)根据步骤b)中的子结构模态构成分析、步骤c)中的对问题模态影响的灵敏度分析和步骤d)中的能量馈入分析的结果，确定对于耦合系统的优化设计或修改方案，以便抑制或消除耦合系统的振动和噪声；以及f)根据确定的优化设计或修改方案，对耦合系统的子结构或子部件进行参数匹配或参数修改以实现产品优化。

技术领域

本发明涉及基于耦合系统/结构的模态综合模型的耦合系统/结构的动力学分析方法和装置。

背景技术

随着科技进步和发展，以及对产品性能的越来越高的要求，在各种技术领域中都会涉及到耦合系统(coupled systems)或耦合结构(coupled structure)的应用。耦合系统/结构通常包括多个子结构和/或子模块，它们各自具有不同的机械特性、材料特性等等。例如，汽车的制动系统可以视为一个耦合系统，其是一个包括具有制动盘、制动钳、支架等多个部件且包括摩擦耦合的更为复杂系统。因为其子结构或各部件的不一样的机械特性和材料特性及由其功能所确定的几何参数，对这种复杂的耦合系统所产生动力学问题的有效和精确的动力学分析是非常困难的，一直以来都是对各领域专家和技术人员的挑战。

在现有技术中，对于复杂系统的动力学分析，在早期阶段，由于计算能力和分析手段的匮乏，人们往往以试验研究为主导。但是试验研究并不能揭示系统的动力学机理，往往也不能得到准切的判断。一旦系统中的某一部件或参数发生变化，就只能重新进行大量试验。因此，人们试图对系统建立各种数学模型和力学模型来进行动力学分析，希望对耦合结构的动力学机理在理论上有更本质的认知，及找出产生问题的设计因素，从而能够更有效地优化产品设计构造。

特别是，振动噪声问题是各种耦合系统所共同存在的技术问题。几十年来的研究，虽然对一些问题的认识仍存在分歧，但在如何诊断问题和寻求抑制噪声方法上已经取得很多共识，对产品进行改进以抑制噪声的方法也有了长足的进步。其中建立在复特征值分析基础上的频域分析方法被认为是解决产品问题更为行之有效的方法。基于频域分析方法的模型主要有直接的有限元模型和模态综合模型两种。有限元模型只能分析出单一独立自变量或单一因素的影响，如部件机械特性(材料弹性模量、设计的少数几何变量、摩擦片的摩擦系数等)及设计的简单的几何参数。而基于模态综合模型则可通过研究的系统分析方法找出更为全面及更为准确的影响耦合系统发生振动的结构因素，从而大大降低反复制作及繁重的试验工作量，降低开发合格产品的周期及耗时。

经过近年来的不断研究，本申请人已经对复杂的耦合系统成功建立了模态综合模型，但是由于耦合系统的结构以及模型的复杂性，如何运用该模态综合模型以及如何分析其计算结果以有效地找出影响噪声发生的耦合系统的结构设计因素，始终是科研人员所面对的、值得进一步探讨和完善的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的之一是提供一种基于模态综合模型的耦合系统/结构的动力学分析方法和装置，其能从耦合系统的动力学机理上有效地分析系统的动力学问题。

因此，对于耦合结构/系统，建立了包含系统设计因素的摩擦闭环耦合的模态综合模型，研究表明，这种模型对于分析和寻找合理的设计参数匹配以解决系统的动力学问题，尤其是振动噪声问题，是一种有效的途径。本申请人基于长期的理论和实验研究发现对于含有摩擦环节(例如汽车的制动器，但不限于此)的复杂耦合机电系统，振动噪声产生的根本机理是摩擦闭合耦合系统的自激振动。

以下给出典型的耦合系统的数学方程，方程(1)给出了以空间坐标系{U}表出的多自由度的动力学方程：