飛行器振動(dòng)特性及環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的估計(jì)

朱 虹

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（沈陽(yáng) 110161）

由于飛行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件部件繁多、工作環(huán)境多變等復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，使得飛行器飛行過(guò)程中的振動(dòng)和沖擊問(wèn)題十分突出。其激振源主要有飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、大氣層飛行過(guò)程中氣流畸變等。由于激振力是各式各樣的，它們的大小不同，頻率相異，再加以飛行器中某些結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性，使得飛行器的振動(dòng)頻帶很寬、形式復(fù)雜。因此科學(xué)合理地對(duì)飛行器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用概率和統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行歸納，評(píng)估其可靠性，制定相應(yīng)的試驗(yàn)和鑒定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)航空事業(yè)的發(fā)展意義重大。

1 理論和方法

1.1 數(shù)據(jù)的獲取和預(yù)處理

在飛行器上選定相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，利用各種傳感器將機(jī)械振動(dòng)量值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，再利用AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)這個(gè)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分段選取。在處理的開(kāi)始階段還需對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以確定信號(hào)的變化趨勢(shì)，去除信號(hào)中的奇異點(diǎn)和噪聲等。

1.2 譜分析方法

隨機(jī)振動(dòng)由于它本身的不確定性，只能夠用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)研究。在頻域上進(jìn)行各種頻譜分析、傳遞函數(shù)分析和相干函數(shù)分析。本文在處理飛行器振動(dòng)和沖擊信號(hào)時(shí)運(yùn)用了沖擊譜和功率譜分析。

(1)沖擊譜

沖擊響應(yīng)譜系指一系列單自由度質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)，當(dāng)其公共基礎(chǔ)受到所測(cè)瞬態(tài)信號(hào)激勵(lì)時(shí)，每個(gè)單自由度系統(tǒng)產(chǎn)生的響應(yīng)峰值作為該單自由度系統(tǒng)固有頻率的函數(shù)繪出的圖。

沖擊響應(yīng)譜有很多測(cè)量方法。①直接用機(jī)械和電的方法來(lái)模擬單自由度系統(tǒng)的物理模型，給模型以沖擊輸入求響應(yīng)。②直接求解單自由度二階微分方程，這可在模擬或計(jì)算機(jī)上完成。本文主要采用改進(jìn)的數(shù)字濾波法計(jì)算沖擊響應(yīng)譜。該法是1981年由Smallwood提出來(lái)的，他用斜臺(tái)不變數(shù)字濾波模型代替脈沖不變模型，即用廣義的斜臺(tái)函數(shù)代替脈沖不變模型的(t) = (t)。

設(shè)輸入信號(hào)(t)的采樣值為Ui，單自由度系統(tǒng)響應(yīng)x(t)的采樣為xi（i=1,2,3,……，N），則有如下的斜臺(tái)不變模型的遞歸公式：

(2)功率譜

對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)數(shù)據(jù)，計(jì)算功率譜的函數(shù)的常用方法有兩種，其一是對(duì)自相關(guān)函數(shù)作傅立葉變換，通常稱(chēng)為 BT法。其二是對(duì)原始數(shù)據(jù)通過(guò)FFT變換，通常稱(chēng)為周期法。在本文中采用周期圖法。

在時(shí)域進(jìn)行矩形截?cái)嗪筮M(jìn)行傅立葉變換，必然引起譜窗的褶積，并帶來(lái)兩個(gè)后果：其一是譜窗的帶寬不能夠無(wú)限小，造成頻域的分辨率有限；其二是由于譜窗通常是由一個(gè)近似三角形的主瓣和向兩側(cè)衰減延伸的若干旁瓣組成的，這樣褶積后會(huì)使計(jì)算上的“功率”通過(guò)旁瓣“泄漏”到該頻率兩側(cè)的其它頻率上去，同時(shí)，其它頻率上的“功率”也會(huì)通過(guò)旁瓣“泄進(jìn)”到該頻率上來(lái)，這種“泄漏”和“泄進(jìn)”就會(huì)造成原譜的失真。為了減小“泄漏”和“泄進(jìn)”造成的誤差，可以采用其它形式的截?cái)喾椒?，即采用不同的譜窗。常用的截?cái)啻坝芯匦未?、海寧窗、漢明窗等。文中采用矩形窗。

(3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)估計(jì)

根據(jù)以上結(jié)論可以得到正態(tài)單邊上限。

2 計(jì)算實(shí)例

利用上述方法，對(duì)某型飛行器在某個(gè)時(shí)段的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖 1 功率譜

圖2 沖擊譜

從圖1和圖2可以得到信號(hào)主要集中在250 Hz，系統(tǒng)的損傷在 1000 Hz時(shí)最敏感。對(duì)沖擊譜進(jìn)行99/90單邊上限估計(jì)如圖3所示。

圖 3 單邊上限估計(jì)

對(duì)單邊上限估計(jì)進(jìn)行直線(xiàn)包絡(luò)，可以得到振動(dòng)環(huán)境包絡(luò)線(xiàn)，如圖4所示。此包絡(luò)線(xiàn)可以作為今后我們進(jìn)行設(shè)計(jì)的振動(dòng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。3 結(jié)論

圖4 直線(xiàn)包絡(luò)

通過(guò)本文的理論研究分析方法，可以在以下幾個(gè)方面產(chǎn)生積極的作用。

(1)從單個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量信號(hào)分析，判斷各路傳感器是否均明顯的記錄了飛行器的各個(gè)動(dòng)作，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析測(cè)量數(shù)據(jù)是否具有可靠性。

(2)在結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)結(jié)構(gòu)和響應(yīng)頻率的變化，確定結(jié)構(gòu)特性以及環(huán)境載荷。為設(shè)計(jì)飛行環(huán)境試驗(yàn)條件提供可靠的數(shù)理統(tǒng)計(jì)依據(jù)。

[1]任名章.機(jī)械振動(dòng)沖擊與響應(yīng)譜分析方法.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[2]曹源,汪鳳泉,童麗萍.沖擊響應(yīng)譜匹配的改進(jìn)多目標(biāo)遺傳算法研究.應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào), 2007.3（3）.

[3]應(yīng)懷樵.現(xiàn)代振動(dòng)與噪音技術(shù).北京:航空工業(yè)出版社,2008.

[4]余訓(xùn)鋒,馬大瑋,魏琳.改進(jìn)周期圖法功率譜估計(jì)中的窗函數(shù)仿真分析.計(jì)算機(jī)仿真,2008.(3).