[发明专利]局部非线性系统振动响应的快速预测方法

说明书

本发明属于机械工程领域，具体涉及局部非线性系统振动响应的快速预测方法，将整个系统拆分为主体线性系统部分和局部非线性环节，并把各个局部非线性环节分别处理为等效模型，以表达各个局部摩擦力或敲击力与摩擦运动或敲击运动之间的非线性映射关系，并实现局部非线性环节中摩擦力或敲击力的快速准确预测，进而通过组合计算实现整个系统的强迫振动响应快速预测。与现有的异响振动分析或异响风险评估技术(例如SAR‑Line、E‑Line等)相比，本发明考虑了异响源或摩擦副、敲击副的实际作用，因而对其在外部激励下所引起的结构异响风险的预估，根据更充分，结构振动响应预测精度更高。

技术领域

本发明属于机械工程领域，具体涉及局部非线性系统振动响应的快速预测方法。

背景技术

在工程实践中，局部带有摩擦副或敲击副的机械结构是普遍存在的，为了方便表述，后文将这种在特定局部位置发生了摩擦或敲击的机械结构称为局部非线性系统。例如：在汽车行驶过程中，路面不平激励或动力总成振动激励下，车身与仪表总成、车门、座椅等相邻部件之间，仪表总成、车门、座椅等部件的内部相邻零件之间，都常常发生若干局部的敲击或摩擦，此时汽车或者其特定子系统便可看作是局部非线性系统；井壁与钻头之间存在的摩擦接触使得钻井作业中的钻头也可以等效为局部非线性系统。总之，局部非线性系统在工程实际中不胜枚举。

机械结构振动对产品的工作性能和使用寿命有着重要的影响，振动以及它所辐射的噪声还恶化了人们的生存环境，尤其是敲击与摩擦等导致的结构异响，会大幅降低使用者对机器性能品质的评价。因此异响性能一直是表征产品品质的关键指标，在汽车行业尤其受到重视。在产品设计阶段，准确预测产品的异响性能进而优化设计方案避免出现异响，便可减少后期异响问题的调校工作，进而节约开发成本和周期。目前，计算复杂机械结构或系统的异响振动响应，尚没有成熟的高效算法可供采用，主要原因是非线性系统不适用叠加原理，采用直接积分法求解高维非线性非齐次微分方程组，计算耗时太长，现有算法难以实用于汽车等复杂系统的异响振动响应分析预测。实际上，在汽车工业中主要采用SAR-Line或E-Line方法对汽车整车及零部件结构中可能的异响点做出异响风险评估，该类方法并不直接考察摩擦副或敲击副的实际运动或动力学行为，也忽略了这些非线性环节对结构振动响应的影响，而将整个结构按照线性系统计算振动响应，并根据预选的风险部位节点对的相对振动位移、速度等信息进行异响风险评估。这类方法避免了非线性系统的振动响应计算，所花时间代价较小，能快速得到汽车结构的异响风险评估结果，但评估精度与有效性很差，难以满足汽车产品研发的工程实际需要。迄今为止，汽车异响性能开发，还不得不更多地依赖经验设计和后期样车调校。

为此，本发明充分利用异响预测问题的局部非线性特征，即几乎所有工程实际问题中，凡需要分析预测异响振动的情形，机器结构或系统本身都可以看成线性系统，而非线性仅仅存在于一处或若干处的敲击运动副或摩擦运动副，提出利用等效模型来单独处理这些非线性环节，建立起敲击力或摩擦力与其运动输入的非线性映射关系，并把敲击力或摩擦力看成原机械结构或系统的外部激励力，从而使原机械结构或系统的异响振动响应仍然可以按线性系统采用叠加原理来计算，于是既考虑了局部非线性的作用，又充分利用了原机器结构的线性性质，使异响振动响应的快速预测成为可能，以更好满足汽车等产品异响性能研发的工程实际需求。

发明内容

本发明的目的在于提供局部非线性系统振动响应的快速预测方法，以满足工程实际中提出的快速预测局部非线性系统结构振动响应的需求。

为了达到上述目的，本发明提供局部非线性系统振动响应的快速预测方法，将整个系统拆分为主体线性系统部分和局部非线性环节，并把各个局部非线性环节分别处理为等效模型，以表达各个局部摩擦力或敲击力与摩擦运动或敲击运动之间的非线性映射关系，进而通过组合计算实现整个系统的强迫振动响应快速预测；

把引起整个系统强迫振动响应的外部激励称为一次激励，把各个局部非线性环节产生的摩擦力和敲击力称为二次激励，并借助成熟算法和叠加原理求解主体线性系统在一次激励和局部非线性环节的二次激励共同作用下的振动响应，从而实现整个局部非线性系统振动响应的快速预测；