[发明专利]一种重载车辆空气弹簧动态载荷估计方法

权利要求书

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-底盘耦合系统有限元模型；

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；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；

S4、开展随机激励下时域瞬态振动响应分析；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S3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；

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，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，

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也可作类似定义：

X_p＝[x₀ x₁…x_j-1]，X_f＝[x_i x_i+1…x_j+i-1]

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，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

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：

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，应用极小化最小二乘性能指标，

即可获得矩阵A、B、C、D的最小二乘解，并可实现系统降维；

S7、利用步骤S6中所识别的系统矩阵，可将S6中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进行辨识。