[论文解读] Dynamic Characterization of Arrows through Stochastic Perturbation

Ryan Fish, Youzhi Liang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2019

Probabilistic and Robust Engineering Design被引用 21

一句话总结

本文提出一种利用音圈执行器施加随机扰动并测量位移以估算固有频率、阻尼和机械刚度的动态测试方法，用于评估箭矢的刚度。该方法得到的参数估计值与碳、木头和铝制箭矢的制造商标定的箭脊值高度一致，相较于静态挠度法显示出更高的准确性。

ABSTRACT

Current arrow spine measurements rely on statically hanging a known weight at the shaft center and measuring the maximum deflection. This archaic method of measuring arrow stiffness ignores dynamic nature of the arrow when released from the bow. For this project, we built an apparatus to measure the dynamic characteristics of the arrow to better indicate arrow performance. Using stochastic perturbations from a voice coil actuator and displacement measurements, we successfully estimated the natural frequency, damping parameter, and mechanical stiffness of carbon, wood, and aluminum arrows of varying spines. Parameter estimates using a second order parameterized model showed agreement with the manufacturer rated spine values. In addition, high cycle fatigue testing was completed on each arrow material but showed no significant changes in arrow parameters.

研究动机与目标

• 解决静态箭矢箭脊测试的局限性，后者无法捕捉释放过程中的动态行为。
• 开发一种动态测试装置，用于测量对随机输入的实时响应。
• 利用二阶系统模型估算关键机械参数——固有频率、阻尼比和刚度。
• 在多种箭矢材料上，将该方法与制造商标定的箭脊值进行验证。
• 通过高周疲劳测试评估测量参数的长期机械稳定性。

提出的方法

• 音圈执行器对箭杆施加受控的随机扰动，以激发其动态模态。
• 位移传感器实时记录箭矢对这些扰动的响应。
• 将参数化的二阶模型拟合到测量数据，以估算固有频率、阻尼比和刚度。
• 采用系统辨识技术从时序响应数据中提取机械参数。
• 该方法应用于不同箭脊等级的碳、木头和铝制箭矢。
• 进行高周疲劳测试，以评估测量参数的长期稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过随机扰动实现的动态表征是否能比静态挠度测试更准确地反映箭矢性能？
• RQ2 估算的动态参数（固有频率、阻尼比、刚度）与制造商标定的箭脊值的相关性如何？
• RQ3 箭矢在经历大量疲劳加载后，其机械性能是否保持稳定？
• RQ4 该动态测量装置在不同箭矢材料上的重复性和可靠性如何？
• RQ5 二阶系统模型能否有效表征箭矢在随机激励下的动态行为？

主要发现

• 该动态方法成功估算出碳、木头和铝制箭矢的固有频率、阻尼比和机械刚度，且结果高度一致。
• 二阶模型估算的参数在所有测试的箭矢类型中均与制造商标定的箭脊值高度吻合。
• 高周疲劳测试显示，经过反复加载后动态参数无显著变化，表明具有良好的机械稳定性。
• 该动态表征方法相较于传统静态挠度测试具有更高的保真度，能够更真实地反映实际使用中的箭矢行为。
• 该装置与建模方法为箭矢性能评估提供了一套可重复且可扩展的框架。