基于小波变换的间隙结构系统动力学参数识别及建模.pdf

车辆与动力技术2023年第2 期Vehicle&Power Technology文章编号：10 0 9-46 8 7(2 0 2 3)0 2-0 0 43-0 7总第17 0 期基于小波变换的间隙结构系统动力学参数识别及建模张云贺，张发平，王武宏，孟凡军，张大舜3，张书畅1（1.北京理工大学机械与车辆学院，北京10 0 0 8 1；2.长春理工大学机电工程学院，长春130 0 13；3.中国兵器工业集团第55研究所，长春130 0 12）摘要：以坦克的身管-衬瓦总成结构为研究对象，研究考虑身管间隙的动力学建模方法对抑制由间隙导致的振动以及建模的不精确问题首先建立了基于正则化理论的含间隙因素的身管-衬瓦结构空间缩减模型，在此基础上采用灵敏度分析方法确定影响模型的关键参数为阻尼参数；基于小波变换理论的参数辨识方法获取间隙时变阻尼参数，构建了考虑间隙和润滑非线性因素的身管-衬瓦结构动力学理论模型和仿真模型；最后采用实体相似模型对所提出的方法以频响函数偏差度为指标进行误差评价，验证该建模方法的有效性和正确性结果表明：常规阻尼参数的身管-衬瓦结构动力学方程和试验模型的频响函数的前4阶频率误差分别为16.6%，5.6%，1.5%，3.1%；含时变参数的身管-衬瓦结构动力学方程和试验模型的频响函数的前4阶频率误差分别为4.8%，2.8%，1.6%，1.4%；引入间隙时变阻尼参数的身管-衬瓦结构仿真模型和实验模型频响函数的前4阶频率误差分别为2%，0.8%，0.2%，0.6%.证明该动力学建模方法有效提高了含间隙及润滑非线性因素的身管-衬瓦结构动力学模型精度.关键词：火炮身管；小波变换；参数识别；间隙中图分类号：TJ301Based on Wavelet Transform of Research on Parameter Identificationand Dynamic Modeling in Vibration System with Clearance文献标识码：AZHANG Yunhe,(1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Changchun University of Science andTechnology,Changchun 130013,China;3.The 55 Research Institute of China North IndustriesAbstract:Nonlinear vibration and modeling errors for the clearance,controlled by Dynamic modelingmethods with clearance,is studied based on the structure model of lining and gun barrel.First,according to the actual model of barrel,the Space-Reduced-Order model of gun barrel with clearance isput forward based on the Regularization Theory.The sensitivity analysis method is used to determine thekey parameters of the model as damping parameters.Next,the time varying damping parameter isobtained by parameter identification based on WT（W a v e l e t T r a n s f o r m).T h e t h e o r y m o d e l a n d f i n i t eelement model of gun barrel is modeled with clearance and lubrication.Last,the scale model is designedand tested by the proposed method.The effectiveness and accuracy of this method are validated byevaluating the error of the frequency-response function.The results show that the frequency error betweenthe test model and general theory model of gun barrel is 16.6%,5.6%,1.5%,and 3.1%,respectively;the frequency error between the test model and theory model of gun barrel with clearance is4.8%,2.8%,1.6%,and 1.4%respectively;and the frequency error between the test model and收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 9作者简介：张云贺（198 6），男，博士研究生，研究方向为动力学可靠性分析ZHANG Faping,ZHANG Dashun,ZGroup Corporation Limited,Changchun 130012,China)WANG Wuhong,ZHANG ShuchangMENG Fanjun?,44finite element model of gun barrel with clearance is 4.8%,2.8%,1.6%,1.4%,respectivelyKey words:gun barrel;wavelet transform;parameter identification;clearance坦克是陆军机械化思维的延续品，是地面作战的重要突击兵器：火炮作为坦克的重要部件之一，由身管、衬瓦、摇架和耳轴等部件组成：火炮在发射的过程中，身管作为弹丸在膛内运动的主要载体，其动力学特性直接影响火炮的射击精度1因此，建立精确的火炮身管动力学模型，对提高火炮的打击精度具有重要意义.国内外学者针对火炮身管动力学建模问题进行了大量的研究，蔡文勇等2 利用模态展开法描述身管的弹性，采用模型考虑接触模拟导轨身管的间隙，建立了车载的火炮发射动力学模型，曾晋春等3针对车载弹炮武器研制过程中身管与摇架衬套的耦合的因素对火炮射击密集度的影响机理，系统地开展了车载式火炮的动力学研究毕世华等4建立了连续射击冲击激励作用下自行火炮的多刚体动力学模型，提出了约束矩阵和简化矩阵的概念徐达等5基于对坦克身管的模态分析，构建了坦克刚柔耦合全车动力学模型，数值计算结果表明考虑身管柔性特性的刚柔耦合模型能够有效提高坦克炮射击仿真精度陈宇等6 基于动态协同仿真的方法，研究了高速机动条件下，不同路面特性导致身管的非线性振动对炮口振动的影响富威等7 针对舰炮身管抗振性能优化问题进行了研究，建立3段梁结构的简化模型以及身管优化模型萧辉等8 采用自适应神经网络的结构优化方法，对火炮身管进行优化，通过试验证明该优化策略的有效性，为火炮结构设计和优化提供了参考谢润等9为研究自行高炮行进间射击时的炮口响应特性，基于身管模型和火炮发射动力学模型的结合，建立了自行高炮行进间发射动力学模型，并获取了自行高炮行进间射击炮口扰动规律邓辉咏等10 针对火炮大架连接孔增大的问题，开展了参数化含间隙机械式销-孔连接铰的建模方法，并基于虚拟样机进行验证。同时获得了不同间隙水平对炮口扰动的交互影响规律.以上火炮身管动力学建模中，针对各自的研究背景及问题，将身管和衬瓦的间隙以及润滑非线性因素不同程度的简化处理基于简化后的动力学模型，在分析身管振动特性以及火炮射击精度时，其车辆与动力技术结果具有一定的指导意义，但是和现实情况仍存在一定的偏差，导致所计算的身管俯仰角和理论值存在偏差，从而影响振动过程中射击的准确度：因此，建立考虑间隙的身管和衬瓦结构的动力学方程对提高射击精度至关重要.1身管-衬瓦间隙结构的时变阻尼建模1.1含间隙身管-衬瓦结构动力学建模根据身管的结构和动力学特点，运用正则化建模方法将身管和摇架前后衬套之间的间隙结构简化成为弹簧阻尼结构，构建了含间隙的身管-衬瓦动力学模型但已知所建立的动力学方程中，根据所研究问题的关注点忽略了阻尼对模型建立的影响而在分析间隙非线性特性的振动特点的情况下，阻尼参数则不能忽略因此，基于已知模型构建了考虑阻尼的身管结构动力学简化模型，如图1所示.图1含间隙的身管振动模型图图1中：f(t）表示激励；l,表示身管固定端0到激励力施加点的距离；l表示身管固定端0 到间隙1处的距离；l2表示身管固定端0 到间隙2处的距离u（x,t）表示身管x处距离固定端O的位移间隙非线性参数包括：身管和衬瓦的间隙值d,和d，接触刚度ka和kz，接触阻尼cal和Cd2通过哈密尔顿原理和假设模态法建立的含间隙的身管动力学方程为m;x;+c,x,+k;x;+V(l)fi(t)+V(l2)f2(t)=V(l)f(t),式中：m;表示系统第i阶模态质量；c,表示系统第i阶模态阻尼；k;表示系统第i阶模态刚度；V(x），表示系统第i阶模态响应;fi（t）=Ca g i（t）+k a n g i（t)表示间隙1的非线性力；f（t）=Ca z g 2（t）+2023年Cd2宁kd24u(x,1)(1)第2 期king2（t）表示间隙2 的非线性力.由于文中重点关注前后衬瓦的间隙对身管的振动特性的影响，同时为了提高计算效率，因此建立只考虑激励处和间隙位置处的空间缩减模型将激励f(t)处的位置设为1位置，间隙和l2位置分别为2 位置和3位置，位置矢量表示为Z,=1 0 0 TZ2=0 1 0OT.z;=0 001T将含间隙的身管动力学方程进行傅里叶变换为U()=H()F()-H()ka W()Z,-H(w)kdW,()Z,-H(w)Ca:W,(w)Z,-H()CdW4(o)Z,，(3)式中:U(w)，F(w)，W(),W,(o),W,(),W4(）分别是 u(x,t)，f(t)，g i(t)，g 2(t),gi（t），g 2（t）的傅里叶变换形式，H(o）是基础的线性系统的频响函数.上式可变形为F(w)=B(o)U(w)+ka W(o)Z,+kn:W,(o)Z,+Ca W,(o)Z,+Cn W(w)Z,(4)式中：B(）表示基础性系统的动刚度矩阵.相应的空间缩减模型为F(w)B1 Bi2Bi:T U,(o)0=B21B22B23U()+0LB31B32B33U;(o)000kdl0W.(o)+0cal0W(o)LO0kid2JLW2()-LO0Cd2通过以上分析建立了含间隙因素的身管和衬瓦结构的空间缩减模型，模型中的刚度参数和阻尼参数的准确性是影响动力学方程的正确性的关键参数.1.2间隙结构关键动力学参数的灵敏度分析采用模糊类聚和灰色关联结合的方法对非线性系统的影响参数进行分类和排序，从而确定影响模型的关键参数首先利用模糊聚类方法对模型的影响因素进行分类，获得与最优标准相似程度最高的一类其次采用灰色关联分析方法确定关联度最高的影响因素，两者的结合在保证计算精度的基础上张云贺等：基于小波变换的间隙结构系统动力学参数识别及建模0O00T0W4()(5)45减少了计算量12 模糊灰色关联分析方法需建立参考序列和比较序列，并将原始数据进行归一化处理，参考序列反映了系统行为特征的数据序列，是计算过程中的基础序列参考序列中数据的