本技術(shù)屬于結(jié)構(gòu)的動力學(xué)測試，具體地，涉及一種采用虛擬信號的非線性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、非線性結(jié)構(gòu)的特殊力學(xué)性能，如負(fù)剛度、負(fù)泊松比、多穩(wěn)態(tài)等特性，使其可以應(yīng)用于隔振防沖擊系統(tǒng)、機(jī)器人/執(zhí)行機(jī)構(gòu)、超結(jié)構(gòu)/超材料等主體結(jié)構(gòu)，因此，非線性結(jié)構(gòu)在航空航天、軍事國防、生物醫(yī)療等高精尖領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。然而非線性會導(dǎo)致復(fù)雜動力學(xué)行為的發(fā)生，復(fù)雜動力學(xué)行為不僅影響高精度設(shè)備的正常工作甚至可能導(dǎo)致其損壞。因此在其應(yīng)用前需要對非線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，預(yù)測其在不同激勵環(huán)境下的響應(yīng)行為。

2、而非線性結(jié)構(gòu)對動力學(xué)參數(shù)非常敏感，微小的變化都會引起響應(yīng)劇烈的改變。在試驗(yàn)過程中，結(jié)構(gòu)所在系統(tǒng)中物理要素如附加載荷質(zhì)量、剛度元件、阻尼元件以及激勵條件的細(xì)微變化都會導(dǎo)致動力學(xué)參數(shù)的變化，引起響應(yīng)的畸變，無法精確模擬真實(shí)應(yīng)用環(huán)境下的動力學(xué)行為。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供一種采用虛擬信號的非線性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)方法和系統(tǒng)，試驗(yàn)過程中可以精確模擬真實(shí)應(yīng)用環(huán)境下的動力學(xué)行為，進(jìn)而預(yù)測其在不同激勵環(huán)境下的響應(yīng)行為。

2、其中，采用虛擬信號的非線性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)方法，包含：

3、s11：根據(jù)所述非線性結(jié)構(gòu)當(dāng)前的目標(biāo)動力學(xué)參數(shù)a(t)以及所述非線性結(jié)構(gòu)當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)確定欲向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的目標(biāo)載荷f*(t)，根據(jù)目標(biāo)載荷f*(t)確定致動器的輸入電壓v(t)；

4、s12：采集致動器在輸入電壓v(t)下的輸出f(t)，判斷致動器當(dāng)前的輸出f(t)與欲向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的目標(biāo)載荷f*(t)之間的差異；

5、s13：若致動器當(dāng)前的輸出f(t)與欲向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的目標(biāo)載荷f*(t)之間的差異大于第一允許誤差，則調(diào)整致動器的輸入電壓v(t)；

6、s14：重復(fù)s12和s13，直至致動器當(dāng)前的輸出f(t)與欲向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的目標(biāo)載荷f*(t)之間的差異不大于所述第一允許誤差；

7、致動器當(dāng)前的輸出f(t)與欲向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的目標(biāo)載荷f*(t)之間的差異不大于所述第一允許誤差時，比較當(dāng)前試驗(yàn)中致動器的輸出f(t)與上一次試驗(yàn)中致動器的輸出f(t-1)二者的大?。?/p>

8、s15：若當(dāng)前試驗(yàn)中致動器的輸出f(t)大于上一次試驗(yàn)中致動器的輸出f(t-1)，則調(diào)整s11中的目標(biāo)動力學(xué)參數(shù)a(t)至a(t+1)；

9、s16：重復(fù)s11、s12、s13、s14和s15，直至當(dāng)前試驗(yàn)中致動器的輸出f(t)不大于上一次試驗(yàn)中致動器的輸出f(t-1)；記錄當(dāng)前試驗(yàn)中目標(biāo)動力學(xué)參數(shù)a(t)、致動器的輸入電壓v(t)和輸出f(t)；

10、s2：向所述非線性結(jié)構(gòu)施加激勵信號，捕獲所述非線性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)。

11、在一種實(shí)施方式中，捕獲所述非線性結(jié)構(gòu)在工作場景中的動力學(xué)響應(yīng)時，將在工作場景中所述非線性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)a*定義到延拓參數(shù)空間進(jìn)行離散，獲得所述非線性結(jié)構(gòu)的目標(biāo)動力學(xué)參數(shù)a(1)、a(2)···a(n-1)、a(n)、a(n+1),其中，a(n-1)<a*,a(n)＝a*，a(n+1)>a*；

12、s15中若當(dāng)前試驗(yàn)中致動器的輸出f(t)大于上一次試驗(yàn)中致動器的輸出f(t-1)，則將當(dāng)前試驗(yàn)中的目標(biāo)動力學(xué)參數(shù)從a(t)調(diào)整為a(t+1),其中t＝0、1、2···n。

13、在一種實(shí)施方式中，在s11之前，所述動力學(xué)試驗(yàn)方法還包含：

14、s10:通過靜力學(xué)預(yù)試驗(yàn)，確定目標(biāo)動力學(xué)參數(shù)a(t)、致動器的輸入電壓v(t)、向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的目標(biāo)載荷f*(t)三者之間的增益關(guān)系，在所述增益關(guān)系下：致動器的輸出范圍包含目標(biāo)載荷f*(t)，致動器的輸出作用給所述非線性結(jié)構(gòu)使得所述非線性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)為目標(biāo)動力學(xué)參數(shù)a(t)；

15、所述增益關(guān)系用于根據(jù)目標(biāo)動力學(xué)參數(shù)a(t)確定目標(biāo)載荷f*(t)，根據(jù)目標(biāo)載荷f*(t)確定致動器的輸入電壓v(t)。

16、在一種實(shí)施方式中，欲向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的目標(biāo)載荷f*(t)＝bcos(wt)。

17、在一種實(shí)施方式中，s13中，若致動器當(dāng)前的輸出f(t)與欲向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的目標(biāo)載荷f*(t)之間的差異大于所述第一允許誤差，則根據(jù)致動器當(dāng)前的輸出f(t)與欲向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的目標(biāo)載荷f*(t)之間的差異，采用pid算法調(diào)整致動器的輸入電壓v(t)。

18、在一種實(shí)施方式中，s11中，所述非線性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)穩(wěn)定后采集所述非線性結(jié)構(gòu)當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)；

19、若所述非線性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)經(jīng)過一定時間后仍然不穩(wěn)定，則調(diào)整所述pid算法中的參數(shù)，直至所述非線性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)穩(wěn)定。

20、在一種實(shí)施方式中，s2包含：

21、s21：向所述非線性結(jié)構(gòu)施加激勵信號；

22、s22：所述非線性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)穩(wěn)定后，采集所述非線性結(jié)構(gòu)的實(shí)際響應(yīng)，并判斷所述非線性結(jié)構(gòu)的實(shí)際響應(yīng)與期望響應(yīng)之間的差異：

23、s23：若所述非線性結(jié)構(gòu)的實(shí)際響應(yīng)與期望響應(yīng)之間的差異大于允許誤差，則根據(jù)實(shí)際響應(yīng)與期望響應(yīng)之間的差異通過調(diào)整期望響應(yīng)中目標(biāo)基礎(chǔ)諧波外高階諧波干擾項(xiàng)的參數(shù)，調(diào)整向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的所述激勵信號，直至所述非線性結(jié)構(gòu)的實(shí)際響應(yīng)與期望響應(yīng)之間的差異不大于第二允許誤差；

24、s24：若所述非線性結(jié)構(gòu)的實(shí)際響應(yīng)與期望響應(yīng)之間的差異不大于所述第二允許誤差，則判斷本次試驗(yàn)的實(shí)際響應(yīng)與上一次試驗(yàn)的實(shí)際響應(yīng)之間的大?。?/p>

25、s25：若本次試驗(yàn)的實(shí)際響應(yīng)不大于上一次試驗(yàn)的實(shí)際響應(yīng)，則通過調(diào)整期望響應(yīng)中目標(biāo)基礎(chǔ)諧波的參數(shù)調(diào)整向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的所述激勵信號，直至本次試驗(yàn)的實(shí)際響應(yīng)大于上一次試驗(yàn)的實(shí)際響應(yīng)；

26、s26:若本次試驗(yàn)的實(shí)際響應(yīng)不大于上一次試驗(yàn)的實(shí)際響應(yīng)，則記錄本次試驗(yàn)中向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的所述激勵信號的參數(shù)及記錄當(dāng)前的響應(yīng)結(jié)果，當(dāng)前的響應(yīng)結(jié)果為所述試驗(yàn)方法捕獲的非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)。

27、在一種實(shí)施方式中，s23中，采用pid算法調(diào)整向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的所述激勵信號中目標(biāo)基礎(chǔ)諧波外的高階諧波的參數(shù)；

28、s21：向所述非線性結(jié)構(gòu)施加激勵信號；之后，

29、若所述非線性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)經(jīng)過一定時間后仍然不穩(wěn)定，則調(diào)整所述pid算法中的參數(shù)，直至所述非線性結(jié)構(gòu)的響應(yīng)穩(wěn)定。

30、在一種實(shí)施方式中，s25中，通過調(diào)整期望響應(yīng)中目標(biāo)基礎(chǔ)諧波的參數(shù)逐步增大向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的所述激勵信號；

31、其中，通過延拓法計(jì)算期望響應(yīng)中目標(biāo)基礎(chǔ)諧波的參數(shù)的增大量，實(shí)現(xiàn)逐步增大向所述非線性結(jié)構(gòu)施加的所述激勵信號。

32、本技術(shù)還提供一種采用虛擬信號的非線性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性結(jié)構(gòu)置于基座上，所述試驗(yàn)系統(tǒng)包含：

33、致動器，所述致動器的作用端與所述非線性結(jié)構(gòu)的自由端連接；

34、激振器，所述激振器的作用端與所述非線性結(jié)構(gòu)指定激勵位置連接；

35、加速度/力二用傳感器，獲取所述非線性結(jié)構(gòu)的加速度或所述激振器施加在所述非線性結(jié)構(gòu)的振動載荷；獲取所述致動器向所述非線性結(jié)構(gòu)的自由端施加的載荷；

36、位移傳感器，獲取所述非線性結(jié)構(gòu)激勵點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)的位移；

37、控制器，根據(jù)所述加速度/力二用傳感器、位移傳感器的信號及以上所述的試驗(yàn)方法向所述致動器和激振器輸出信號。

38、本技術(shù)提供的一種采用虛擬信號的非線性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)方法中，根據(jù)所述非線性結(jié)構(gòu)的目標(biāo)動力學(xué)參數(shù)a(t)，通過致動器向所述非線性結(jié)構(gòu)的自由端施加靜力載荷，然后向所述非線性結(jié)構(gòu)施加激勵信號，捕獲的非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)。本技術(shù)采用虛擬信號控制致動器生成目標(biāo)載荷加載到非線性實(shí)體結(jié)構(gòu)上以模擬目標(biāo)參數(shù)(如剛度、阻尼)作用下的力。通過虛擬信號可以精確地進(jìn)行載荷模擬，精確的載荷模擬可以對阻尼、剛度等動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行精細(xì)地控制和調(diào)節(jié)，以解決非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)敏感的問題。

39、基于上述發(fā)明構(gòu)思，本技術(shù)還提供一種采用虛擬信號的非線性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，集激勵、控制、信號采集、響應(yīng)處理于一體。

40、為了進(jìn)一步清楚的闡述，本技術(shù)公開的實(shí)施例的各方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述部分中變得明顯，或通過本技術(shù)公開的實(shí)施例的實(shí)踐了解到。