1.本发明属于机械动力学领域，具体为一种复杂结构间碰撞参数识别方法。
背景技术：2.有载分接开关等复杂装备中往往存在众多非标准复杂结构，这些复杂结构由于传动间隙以及材料磨损等的存在会引起较大接触碰撞的发生，这种接触碰撞情况的产生往往对材料性能以及整体机械结构的稳定性乃至于复杂装备的机械寿命造成影响，因此通过碰撞模型获取准确地接触碰撞力对复杂装备的机械寿命及可靠性设计提供了参考，随即产生的碰撞参数识别成为了目前机械动力学研究的热点问题。
3.复杂结构碰撞过程往往存在大量的不确定性，部分复杂结构碰撞由于其结构尺寸的限制无法进行碰撞力测试，并且受限于测试仪器准确度及分辨率的限制难以通过实验测试的手段直接获得准确的碰撞力，因此往往使用理论碰撞模型及动力学分析软件进行计算。目前常用的理想碰撞模型针对的往往是标准规则结构，如线性碰撞模型、赫兹非线性弹性模型以及赫兹阻尼非线性模型等模型。对应于复杂结构的接触刚度等关键碰撞参数不能直接计算，因此常常借助于adams动力学分析软件进行计算，但同样存在内部碰撞模型中关键参数设置不准确的问题，经验公式确定参数往往结果不准确。
技术实现要素：4.本发明所解决的技术问题在于提供一种复杂结构间碰撞参数识别方法，以解决复杂结构无法通过理论模型计算接触刚度、最大阻尼系数等碰撞参数以获得准确碰撞力的问题，实现复杂结构接触碰撞力的准确获取。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种复杂结构间碰撞参数识别方法，包括以下步骤：
7.1)建立非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与adams内部碰撞模型的关系：
8.2)建立adams内部碰撞模型中接触刚度与最大阻尼系数之间的对应关系；
9.3)根据非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与adams内部碰撞模型的关系以及adams内部碰撞模型中接触刚度与最大阻尼系数之间的对应关系，通过规则形状接触刚度赫兹计算公式得到的接触刚度值为参照基准，确定接触刚度范围数据点序列，然后进行adams动力学仿真分析，确定接触刚度和最大阻尼系数，完成复杂结构间碰撞参数识别。
10.本发明进一步的改进在于，非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与adams内部碰撞模型的关系如下式所示：
[0011][0012]
式中，c
max-最大阻尼系数，d-阻尼系数，d
max-最大切入深度，δ-接触物体之间的穿
透深度。
[0013]
本发明进一步的改进在于，adams内部碰撞模型中接触刚度与最大阻尼系数之间的对应关系如下：
[0014][0015]
式中，k-接触刚度，e-恢复系数，δv
0-碰撞后速度差。
[0016]
本发明进一步的改进在于，恢复系数通过下式计算得到：
[0017][0018]
其中，va、vb分别为主从动件碰撞后速度，v
a0
、v
b0
分别为主从动件碰撞前速度。
[0019]
本发明进一步的改进在于，规则形状的接触刚度赫兹计算公式如下：
[0020][0021]
其中，k为接触刚度，σ1为主动件变形量，σ2为从动件变形量，r1为主动件接触点曲率半径，r2为从动件接触点曲率半径。
[0022]
本发明进一步的改进在于，主动件变形量以及从动件变形量分别通过下式计算得到：
[0023][0024][0025]
式中，λ1为第一接触深度，λ2为第二接触深度，e1为主动件弹性模量，e2为从动件变形量。
[0026]
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体过程为：
[0027]
通过碰撞实验测试得到从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数；
[0028]
基于规则形状的接触刚度赫兹计算公式，确定接触刚度基准值，以接触刚度基准值为中心，以区间间隔50n/mm，在接触刚度基准值上下分别各取10个值，得到接触刚度值数据序列；
[0029]
确定接触刚度值数据序列对应的最大阻尼系数值序列；
[0030]
以实验测试真实主动件碰撞前速度-时间曲线作为adams动力学仿真分析主动件边界条件输入，基于接触刚度值数据序列、最大阻尼系数值序列、接触物体之间的穿透深度以及刚度指数进行动力学分析，得到接触刚度值数据序列与最大阻尼系数值序列中每一组数据对应的从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数的仿真结果；
[0031]
将接触刚度值数据序列与最大阻尼系数值序列中每一组数据对应的从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数的仿真结果与碰撞实验测试得到的从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数进行对比，计算接触刚度值数据序列与最大阻尼系数值序列中每一组数据对应的仿真结果的误差，得到误差在设定阈值以内的接触刚度值数据序列以及最大阻
尼系数序列中的接触刚度和最大阻尼系数，完成复杂结构间碰撞参数识别。
[0032]
本发明进一步的改进在于，碰撞时间t通过下式计算得到：
[0033]
t＝t
a-t
a0
＝t
b-t
b0
ꢀꢀ
(9)
[0034]
其中，ta与t
a0
分别为主动件碰撞前后时间，tb与t
b0
分别为从动件碰撞前后时间。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
[0036]
对于复杂结构接触碰撞，本发明通过建立理论碰撞模型与adams动力学内部碰撞模型之间关系，获取准确地碰撞参数，解决了理论碰撞模型无法直接使用的问题。本发明通过建立关键碰撞参数之间的关系实现中间误差全部归一化，且保证碰撞参数识别结果符合实际情况，提高adams动力学仿真结果的准确性。相较于传统动力学软件碰撞参数识别过程中常用的多因素参数识别与单因素参数识别，本发明能够降低传统多因素参数识别过程中存在的复杂度以及计算量，解决单因素识别不符合实际情况以及准确性问题。本发明通过分析对比adams内部碰撞模型及理论碰撞模型，建立最大阻尼系数与接触刚度两大关键碰撞参数之间的桥梁，基于实验结果确定对应该复杂机构的最大阻尼系数与接触刚度确定值，实现复杂结构碰撞参数识别。通过建立最大阻尼系数与接触刚度之间关系式，将多参数识别转换为接触刚度单参数识别过程，仅需调整接触刚度便可实现参数识别，即实现误差归一化，能够解决理论碰撞模型无法计算问题，以及传统动力学软件碰撞参数单因素辨识过程中存在的识别结果不符合实际碰撞过程问题，并且识别结果能够迁移至该结构下不同运行状态的碰撞过程碰撞力的计算。
附图说明
[0037]
图1为本发明的总体分析流程图。
[0038]
图2为接触刚度识别的具体流程图。
[0039]
图3为基于碰撞参数识别结果的碰撞输出仿真与实验数据对比。
具体实施方式
[0040]
为了说明本发明的技术方案与技术目的，下面结合附图对本发明做进一步的介绍与说明。
[0041]
参见图1，本发明是一种复杂结构间碰撞参数识别方法，包括以下步骤：
[0042]
步骤1、adams内部碰撞模型及碰撞参数敏感度分析，确定接触刚度与最大阻尼系数是两大关键影响因素：通过分析adams内部碰撞力计算理论确定接触碰撞力与接触碰撞参数(接触刚度、穿透深度、刚度指数以及最大阻尼系数)之间的关系，并且通过单因素敏感度分析，确定接触刚度与最大阻尼系数是两大关键影响参数；
[0043]
通过分析adams内部碰撞力计算理论，得到碰撞力fn的计算公式如下：
[0044]
[0045]
其中，δ-接触物体之间的穿透深度，k-接触刚度，
ε-刚度指数，其值通常取1.5，c
max-最大阻尼系数，d
max-最大切入深度，其值通常取0.1mm，-表示变形量。
[0046]
经过理论碰撞模型调研以及adams碰撞参数单因素探究发现，刚度指数ε与最大切入深度d
max
作为碰撞力fn的计算公式中两个变量，对其影响相比接触刚度与最大阻尼系数较小，往往可直接使用经验值，可选取为c
max
＝1.5，d
max
＝0.1mm。接触刚度k以及最大阻尼系数c
max
是影响碰撞力计算结果的两大重要因素，不可或缺，并且两者往往存在一定关系。
[0047]
步骤2、选取非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与adams内部碰撞模型映射对比，建立非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与adams内部碰撞模型的联系：
[0048]
非线性弹簧阻尼理论碰撞模型如下函数表达式：
[0049][0050][0051]
其中，e-恢复系数，δv
0-碰撞后速度差，d-阻尼系数。
[0052]
通过将非线性弹簧阻尼理论碰撞模型对照adams内部碰撞模型，可得：
[0053][0054]
步骤3、根据非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与adams内部碰撞模型的联系，建立adams内部碰撞模型中接触刚度与最大阻尼系数之间的对应关系；
[0055]
将最大阻尼系数c
max
进行积分计算，可得：
[0056][0057]
进而通过提取积分值的平均值，可得：
[0058][0059][0060]
于是确定了adams内部碰撞模型中接触刚度与最大阻尼系数之间的确定关系。其中，恢复系数作为确定关系中唯一变量可通过实验测试获得。
[0061]
步骤4、基于实验测试结果的碰撞参数识别：以规则形状接触刚度赫兹计算公式得到的接触刚度值为参照基准，确定接触刚度范围数据点序列，基于此根据非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与adams内部碰撞模型的联系和adams内部碰撞模型中接触刚度与最大阻尼系数之间的对应关系开展adams动力学仿真分析，并且通过对照碰撞时间与碰撞速度仿真结果与实验结果，进行接触刚度参数些许修正，判断接触刚度是否符合计算准确度要求，并
确定最大阻尼系数，完成adams内部碰撞模型碰撞参数识别。具体包括以下步骤：
[0062]
步骤4.1、通过碰撞实验测试确定恢复系数e以及记录碰撞输出实验结果：通过使用激光测速仪、速度传感器以及码盘等速度测试方法确定主从动件碰撞前后速度，进而确定恢复系数，同时记录从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数值实验结果；
[0063]
恢复系数e计算公式如下所示：
[0064][0065]
其中，va、vb分别为主从动件碰撞后速度，v
a0
、v
b0
分别为主从动件碰撞前速度；
[0066]
碰撞时间计算公式如下函数表达式：
[0067]
t＝t
a-t
a0
＝t
b-t
b0
ꢀꢀ
(9)
[0068]
其中，ta与t
a0
分别为主动件碰撞前后时间，tb与t
b0
分别为从动件碰撞前后时间。
[0069]
步骤4.2、确定接触刚度分析数据序列：基于规则形状的接触刚度赫兹计算公式，确定接触刚度基准值，随后以该基触刚度准值为中心，以指定区间间隔50n/mm，上下各取10个值，设置接触刚度值数据序列约21组，即确定了接触刚度变化范围，将包含21组数据值的数据序列作为adams动力学分析的接触刚度值数据序列；
[0070]
基于规则形状的接触刚度赫兹计算公式如下所示：
[0071][0072]
其中，k为接触刚度，σ1为主动件变形量，σ2为从动件变形量，r1为主动件接触点曲率半径，r2为从动件接触点曲率半径，ei为物体弹性模量，λi为接触深度，i为物体编号。
[0073]
步骤4.3、确定对应接触刚度值数据序列的最大阻尼系数值序列：最大阻尼系数作为影响碰撞结果的另一个关键参数，基于上述提出的接触刚度与最大阻尼系数确定关系即式7，以及步骤4.1获得的恢复系数及碰撞前速度差确定接触刚度值序列对应的最大阻尼系数值序列。
[0074]
因此，通过步骤4.2与步骤4.3能够确定了adams动力学分析中所需的接触刚度、最大阻尼系数、穿透深度以及刚度指数四个关键变量的确定值序列，每一组碰撞参数共包含此四个关键变量值，即形成了碰撞参数序列。
[0075]
步骤4.4、给定碰撞参数序列下adams动力学分析：基于上述步骤4.2确定的21组接触刚度值数据序列与步骤4.3确定的最大阻尼系数值序列以及穿透深度值以及刚度指数值进行动力学分析，设置最大阻尼系数值序列后，以实验测试真实主动件碰撞前速度-时间曲线作为adams动力学仿真分析边界条件输入，得到接触刚度值数据序列与最大阻尼系数值序列中每一组数据对应的从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数等仿真结果输出；
[0076]
步骤4.5、基于实验参考值的最优碰撞参数确定：通过将步骤4.4所得仿真结果与步骤4.1碰撞实验测试得到的从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数结果进行对比，计算碰撞参数序列中每一组数据对应仿真结果的误差，选择设置最大容许误差为10％(设定阈值)左右，即当从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数值仿真结果误差在10％以内即
认为识别的碰撞参数准确可靠，确定满足最大容许误差的接触刚度值数据序列以及最大阻尼系数序列中的最优结果，并可以在所得最优结果的基础上进行些许修正，以得到更准确的接触刚度和最大阻尼系数。
[0077]
该方法已经在分接开关关键零部件结构碰撞中使用，并且结果较好。传统使用经验公式确定的碰撞参数计算所得的结果与实验结果相差甚远，误差率甚至高达200％。通过使用本碰撞参数识别方法确定的碰撞参数进行仿真计算，得到的碰撞时间、碰撞后速度、恢复系数等碰撞输出误差率较小，具体对应结果如图3所示，其中动触头为验证本方法使用的分接开关中一个重要的碰撞部件，该部件结构不规则且复杂，通过对比最佳碰撞参数对应仿真结果与实验结果得到如图3中所示的误差值。
[0078]
根据本发明确定的，能够更准确的计算碰撞过程的碰撞力。根据本发明确定的碰撞参数带入至adams动力学软件中，能够更准确的计算碰撞过程的碰撞力。
[0079]
本发明实现了多碰撞参数识别误差的归一化，降低了传统多因素碰撞参数识别的复杂度以及单因素识别的不可靠性以及真实性，该方法可用于基于动力学分析的复杂结构碰撞参数识别。
[0080]
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
技术特征：1.一种复杂结构间碰撞参数识别方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与adams内部碰撞模型的关系：2)建立adams内部碰撞模型中接触刚度与最大阻尼系数之间的对应关系；3)根据非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与adams内部碰撞模型的关系以及adams内部碰撞模型中接触刚度与最大阻尼系数之间的对应关系，通过规则形状接触刚度赫兹计算公式得到的接触刚度值为参照基准，确定接触刚度范围数据点序列，然后进行adams动力学仿真分析，确定接触刚度和最大阻尼系数，完成复杂结构间碰撞参数识别。2.根据权利要求1所述的一种复杂结构间碰撞参数识别方法，其特征在于，非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与adams内部碰撞模型的关系如下式所示：式中，c
max-最大阻尼系数，d-阻尼系数，d
max-最大切入深度，δ-接触物体之间的穿透深度。3.根据权利要求1所述的一种复杂结构间碰撞参数识别方法，其特征在于，adams内部碰撞模型中接触刚度与最大阻尼系数之间的对应关系如下：式中，k-接触刚度，e-恢复系数，δv
0-碰撞后速度差。4.根据权利要求3所述的一种复杂结构间碰撞参数识别方法，其特征在于，恢复系数通过下式计算得到：其中，v
a
、v
b
分别为主从动件碰撞后速度，v
a0
、v
b0
分别为主从动件碰撞前速度。5.根据权利要求1所述的一种复杂结构间碰撞参数识别方法，其特征在于，规则形状接触刚度赫兹计算公式如下：其中，k为接触刚度，σ1为主动件变形量，σ2为从动件变形量，r1为主动件接触点曲率半径，r2为从动件接触点曲率半径。6.根据权利要求5所述的一种复杂结构间碰撞参数识别方法，其特征在于，主动件变形量以及从动件变形量分别通过下式计算得到：量以及从动件变形量分别通过下式计算得到：
式中，λ1为第一接触深度，λ2为第二接触深度，e1为主动件弹性模量，e2为从动件变形量。7.根据权利要求1或4所述的一种复杂结构间碰撞参数识别方法，其特征在于，步骤3)的具体过程为：通过碰撞实验测试得到从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数；基于规则形状的接触刚度赫兹计算公式，确定接触刚度基准值，以接触刚度基准值为中心，以区间间隔50n/mm，在接触刚度基准值上下分别各取10个值，得到接触刚度值数据序列；确定接触刚度值数据序列对应的最大阻尼系数值序列；以实验测试真实主动件碰撞前速度-时间曲线作为adams动力学仿真分析主动件边界条件输入，基于接触刚度值数据序列、最大阻尼系数值序列、接触物体之间的穿透深度以及刚度指数进行动力学分析，得到接触刚度值数据序列与最大阻尼系数值序列中每一组数据对应的从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数的仿真结果；将接触刚度值数据序列与最大阻尼系数值序列中每一组数据对应的从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数的仿真结果与碰撞实验测试得到的从动件碰撞后速度、碰撞时间以及恢复系数进行对比，计算接触刚度值数据序列与最大阻尼系数值序列中每一组数据对应的仿真结果的误差，得到误差在设定阈值以内的接触刚度值数据序列以及最大阻尼系数序列中的接触刚度和最大阻尼系数，完成复杂结构间碰撞参数识别。8.根据权利要求7所述的一种复杂结构间碰撞参数识别方法，其特征在于，碰撞时间t通过下式计算得到：t＝t
a-t
a0
＝t
b-t
b0
ꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，t
a
与t
a0
分别为主动件碰撞前后时间，t
b
与t
b0
分别为从动件碰撞前后时间。
技术总结本发明提供了一种复杂结构间碰撞参数识别方法，建立非线性弹簧阻尼理论碰撞模型与ADAMS内部碰撞模型的关系：建立ADAMS内部碰撞模型中接触刚度与最大阻尼系数之间的对应关系；以规则形状接触刚度赫兹计算公式得到的接触刚度值为参照基准，确定接触刚度范围数据点序列，然后进行ADAMS动力学仿真分析，确定接触刚度和最大阻尼系数，完成复杂结构间碰撞参数识别。本发明实现了多碰撞参数识别误差的归一化，降低了传统多因素碰撞参数识别的复杂度以及单因素识别的不可靠性以及真实性，该方法可用于基于动力学分析的复杂结构碰撞参数识别。用于基于动力学分析的复杂结构碰撞参数识别。用于基于动力学分析的复杂结构碰撞参数识别。
技术研发人员：王晨 张进华 洪军 周意葱 林起崟 李光明 南凯刚
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2022/7/5
