一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法技术

本发明专利技术涉及空气弹簧系统设计领域，尤其涉及一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法首先利用随机子空间辨识法识别空气弹簧状态空间模型，得到载荷输入与响应输出关系，其后利用贝叶斯正则化方法反演运行工况下空气弹簧所承受动态载荷，为空气弹簧系统静/动态性能和可靠性设计提供准确输入条件。本发明专利技术具有原理简单、成本低、可应用性强的优点。可应用性强的优点。可应用性强的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法


[0001]本专利技术涉及空气弹簧系统设计领域，尤其涉及一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法。

技术介绍

[0002]空气弹簧减振系统作为重载车辆的主要承载结构,其强度特性、动态特性和疲劳性能等与车辆行驶安全性和乘员舒适性密切关联。在实际应用中，精准的动态载荷信息是进行空气弹簧系统动态性能分析和疲劳寿命预测的关键信息,因此，准确获取空气弹簧动态载荷为其性能和安全可靠性设计提供确切的输入条件是空气弹簧设计与开发过程中的重要步骤之一。
[0003]目前获取空气弹簧动态载荷的的可能途径主要包括
①
理论/数值估算和
②
直接测量。对于前者，受制于路面载荷和结构动力学模型引入的各种假设和简化处理，如路面载荷信息需通过大量实际路面试验获取、结构系统模型通常进行集参数化处理等，理论估算结果无法充分描述不同路面情形运行过程中空气弹簧动态载荷的随机交变特征，难以满足空气弹簧可靠性设计与评估的实际需求。对于后者，一种方式是在空气弹簧载荷传递路径上安装传感器，测定载荷本身或通过测量与传递载荷相关的参数来确定载荷特征信息。但由于重载车辆空气弹簧工作环境的限制、传感器承载限制以及传感器安装布置要求等问题，目前运行状态下空气弹簧载荷的直接测量仍难以实施。另一种方式，通过对测量配置测量轮或六分力测试仪等实时测量不同路面和工况下路面作用与车轮轴处的载荷谱，其后通过力学分析转化为空气弹簧底座所受动态载荷激励。但是，路面载荷谱数据采集中测量设备的安装和校准不但耗时耗人力，通常费用成本昂贵，而且周期较长。
[0004]相比而言，空气弹簧振动响应数据(如位移、速度、加速度、应变等)的测量更为容易实现且数据更为准确，自然寄希望于利用振动响应的实测数据对空气弹簧减振系统动态载荷进行反演识别从而为动态性能分析和疲劳寿命预测提供原始数据。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的不足，针对上述问题，本专利技术提供了一种原理简单、低成本、可应用性强的重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法，该方法首先利用随机子空间辨识法识别空气弹簧状态空间模型，得到载荷输入与响应输出关系，其后利用贝叶斯正则化方法反演运行工况下空气弹簧所承受动态载荷，为空气弹簧系统静/动态性能和可靠性设计提供准确输入条件。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法，包括以下步骤：
[0007]S1、根据重载车辆空气弹簧实际几何形状，以及空气弹簧与悬架和底盘的装配关系，建立空气弹簧
‑
底盘耦合系统动力学模型；
[0008]S2、在车辆实际运行期间，进行空气弹簧
‑
底盘振动响应测试；
[0009]S3、以步骤S2中响应测试获得的模态参数作为参考值，采用随机算法和有约束优化方法对步骤S1所建立的有限元模型进行修正，修正模型设计变量以降低所建立的有限元模型与实际结构动力学特性之间的误差，进而获得用于载荷识别的空气弹簧
‑
底盘耦合系统有限元动力学方程；
[0010]S4、开展随机激励下时域瞬态振动响应分析；
[0011]S5、则可利用步骤S4中系统输入载荷信息和输出响应数据构造分块Hankel 矩阵；
[0012]S6、针对步骤S5中所构造Hankel矩阵，利用随机子空间方法，实现系统降维；
[0013]S7、利用步骤S6中所识别的系统矩阵，可将S4中所述降维状态空间模型进一步转化为空气弹簧系统的载荷
‑
响应关系方程；
[0014]S8、在步骤S7载荷
‑
响应关系方程基础上，利用贝叶斯正则化方法进行反求计算；
[0015]S9、判断是否满足估计误差要求，若不满足，则返回步骤S1重新构件参数化的实体和有限元动力学模型，若满足，则输出车辆空气弹簧动态载荷用于性能分析和可靠性设计。
[0016]进一步地，在步骤S1中，空气弹簧采用高保真三维有限元模型，底盘模型采用由实际重载车辆底盘和车身等效获得的集中质量参数模型，车辆底盘通过空气弹簧安置于悬架，空气弹簧底座安装孔位置为载荷施加位置。
[0017]进一步地，在步骤S2中，空气弹簧测点安置于顶面，底盘测点安置于空气弹簧安装孔位置附近，通过总体平均经验模式分解法对测试响应数据进行分析，去除模态混叠并对空气弹簧
‑
底盘耦合系统模态参数(模态频率和阻尼等)进行辨识。
[0018]进一步地，在步骤S3中，系统有限元模型的运动方程最终可表示为:
[0019][0020]式中，分别为系统质量、阻尼和刚度矩阵；分别为系统质量、阻尼和刚度矩阵；分别为位移、速度和加速度响应输出向量；为载荷分配矩阵；为载荷分配矩阵；为空气弹簧系统动态载荷输入向量；n
dof
为有限元模型自由度数目，n
f
为待确定载荷数目。
[0021]进一步地，步骤S4的具体实施方式为：设定时间步长，在空气弹簧底座安装孔位置施加白噪声随机激励，采用Abaqus或Ansys软件利用完全法和Newmark 时间积分计算方法在离散的时间点上求解(3)中所生成的有限元仿真模型，其中，第一个时间步用来建立初始条件，后继时间步进行载荷加载和响应求解，计算完成后记录所设定空气弹簧或(\和)底盘振动测点处响应；
[0022]其中，若测量响应为位移响应，可直接用于后续载荷识别；若所测量响应为速度或加速度响应，采用频域积分法将响应数据转化为时域位移响应，用于后续载荷识别。
[0023]进一步地，步骤S5的具体实施方式为：约定下标p和f分别表示过去(past) 和未来(future)相对时间概念，则可利用步骤S4中系统输入载荷信息和输出响应数据构造分块Hankel矩阵，如下式所示：
[0024][0025]式中，
[0026][0027][0028]其中，和分别为第k时刻各通道输出、输入信号序列。
[0029]过去(past)和未来(future)状态向量矩阵X
p
与X
f
也可作类似定义：
[0030]X
p
＝[x
0 x
1 ... x
j
‑1]，X
f
＝[x
i x
i+1 ... x
j+i
‑1]。
[0031]进一步地，步骤S6的具体实施方式为：针对步骤S5中所构造Hankel矩阵，利用随机子空间方法，通过行空间斜投影、QR分解、和截断奇异值分解可获取系统的阶次、广义能观性矩阵Γ
i
或状态序列的估计和
[0032]进而，利用求得的状态序列估计和将离散的状态空间方程表示为最小二乘意义下的一组超定方程：
[0033][0034]式中，ρw和ρv为残差矩阵；A为系统矩阵，反映系统的固有振动特性；B为控制矩阵；C为输出矩阵；D为前馈矩阵。应用极小化最小二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、根据重载车辆空气弹簧实际几何形状，以及空气弹簧与悬架和底盘的装配关系，建立空气弹簧
‑
底盘耦合系统动力学模型；S2、在车辆实际运行期间，进行空气弹簧
‑
底盘振动响应测试；S3、以步骤S2中响应测试获得的模态参数作为参考值，采用随机算法和有约束优化方法对步骤S1所建立的有限元模型进行修正，修正模型设计变量以降低所建立的有限元模型与实际结构动力学特性之间的误差，进而获得用于载荷识别的空气弹簧
‑
底盘耦合系统有限元动力学方程；S4、开展随机激励下时域瞬态振动响应分析；S5、则可利用步骤S4中系统输入载荷信息和输出响应数据构造分块Hankel矩阵；S6、针对步骤S5中所构造Hankel矩阵，利用随机子空间方法，实现系统降维；S7、利用步骤S6中所识别的系统矩阵，可将S4中所述降维状态空间模型进一步转化为空气弹簧系统的载荷
‑
响应关系方程；S8、在步骤S7载荷
‑
响应关系方程基础上，利用贝叶斯正则化方法进行反求计算；S9、判断是否满足估计误差要求，若不满足，则返回步骤S1重新构件参数化的实体和有限元动力学模型，若满足，则输出车辆空气弹簧动态载荷用于性能分析和可靠性设计。2.根据权利要求1所述的一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法，其特征在于：在步骤S1中，空气弹簧采用高保真三维有限元模型，底盘模型采用由实际重载车辆底盘和车身等效获得的集中质量参数模型，车辆底盘通过空气弹簧安置于悬架，空气弹簧底座安装孔位置为载荷施加位置。3.根据权利要求1所述的一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法，其特征在于：在步骤S2中，空气弹簧测点安置于顶面，底盘测点安置于空气弹簧安装孔位置附近，通过总体平均经验模式分解法对测试响应数据进行分析，去除模态混叠并对空气弹簧
‑
底盘耦合系统模态参数(模态频率和阻尼等)进行辨识。4.根据权利要求1所述的一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法，其特征在于：在步骤S3中，系统有限元模型的运动方程最终可表示为:式中，分别为系统质量、阻尼和刚度矩阵；Z(t)、分别为系统质量、阻尼和刚度矩阵；Z(t)、分别为位移、速度和加速度响应输出向量；为载荷分配矩阵；F(t) 为空气弹簧系统动态载荷输入向量；n
dof
为有限元模型自由度数目，n
f
为待确定载荷数目。5.根据权利要求4所述的一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法，其特征在于：步骤S4的具体实施方式为：设定时间步长，在空气弹簧底座安装孔位置施加白噪声随机激励，采用Abaqus或Ansys软件利用完全法和Newmark时间积分计算方法在离散的时间点上求解(3)中所生成的有限元仿真模型，其中，第一个时间步用来建立初始条件，后继时间步进行载荷加载和响应求解，计算完成后记录所设定空气弹簧或(\和)底盘振动测点处响应；其中，若测量响应为位移响应，可直接用于后续载荷识别；若所测量响应为速度或加速度响应，采用频域积分法将响应数据转化为时域位移响应，用于后续载荷识别。6.根据权利要求5所述的一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法，其特征在于：步骤
S5的具体实施方式为：约定下标p和f分别表示过去(past)和未来(future)相对时间概念，则可利用步骤S4中系统输入载荷信息和输出响应数据构造分块Hankel矩阵，如下式所示：式中，式中，其中，和分别为第k时刻各通道输出、输入信号序列。过去(past)和未来(future)状态向量矩阵X
p
与X
f
也可...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩瑞铎，
申请(专利权)人：汉思科特盐城减震技术有限公司，
类型：发明
国别省市：