基于Origin軟件的飛行振動數(shù)據(jù)處理方法研究

易堅，韓晉平，盧建寅，李善勛

（中航工業(yè)洪都，江西南昌，330024）

基于Origin軟件的飛行振動數(shù)據(jù)處理方法研究

易堅，韓晉平，盧建寅，李善勛

（中航工業(yè)洪都，江西南昌，330024）

數(shù)據(jù)處理是試飛測試過程中最后也是最重要的一個環(huán)節(jié)。任何方式的測量，其結(jié)果都必須經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后才能提供給用戶使用。本文介紹了采用Origin數(shù)據(jù)處理軟件處理試飛振動數(shù)據(jù)的方法及過程，并用該軟件處理了某型飛機(jī)平尾振動數(shù)據(jù)，同時，還對處理結(jié)果進(jìn)行了評定與分析。

數(shù)據(jù)處理；Origin軟件；振動；頻譜分析

0 引言

試飛測試是飛機(jī)設(shè)計過程中的一個重要環(huán)節(jié)，通過試飛測試，可以很好地評價飛機(jī)特性和驗證設(shè)計要求。由于飛行試驗過程中各種因素的影響，測試結(jié)果不可避免地會包含大量的誤差。實踐證明，這些誤差的存在可能會影響數(shù)據(jù)進(jìn)一步的處理精度，降低試驗結(jié)果的可靠性。所以，對飛行試驗的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可減少噪聲和誤差的影響，在Origin軟件中充分應(yīng)用了對數(shù)據(jù)的平滑及濾波處理、快速傅立葉變換等技術(shù)。本文根據(jù)某型飛機(jī)振動測試的要求，結(jié)合國外成功的研究經(jīng)驗，對飛行振動數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了探討性研究，還根據(jù)新的方法用Origin軟件處理了平尾振動試驗數(shù)據(jù)，并對處理結(jié)果進(jìn)行了評定及分析。

1 Origin軟件簡介及振動數(shù)據(jù)處理方法

1.1 Origin軟件簡介

Origin軟件是MicroCal Inc.總公司（世界一流的高靈敏熱量計設(shè)計公司）于1991年3月首次推出的基于Windows平臺下用于數(shù)據(jù)分析、工程繪圖的軟件，已在圖表和數(shù)據(jù)分析軟件業(yè)建立了堅實的基礎(chǔ)。Origin軟件在科技繪圖和數(shù)據(jù)處理方面，完全能滿足科技工作者的科技繪圖和數(shù)據(jù)處理的需求。Origin軟件在使用上，操作簡便，采用直觀的、圖形化的、面向?qū)ο蟮拇翱诓藛魏凸ぞ邫诓僮鳎菀咨鲜?，因此，成為科技工作者的首選科技繪圖及數(shù)據(jù)處理軟件，在同類軟件中具有較高的市場占有率。Origin專業(yè)級的圖表處理功能、強(qiáng)大的試驗數(shù)據(jù)分析功能及盡善盡美的圖形展示功能使其在公司、大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 Origin軟件處理振動數(shù)據(jù)的方法及過程

飛機(jī)的振動是一種隨機(jī)振動，其物理變化過程雖不能用確定數(shù)學(xué)形式描述，但卻能用統(tǒng)計分析方法來描述。目前，在飛機(jī)振動飛行試驗中，一般采用加速度測量法來確定飛機(jī)振動邊界，即在飛機(jī)翼尖、座椅（法向與側(cè)向）、重心（法向）、副翼、垂尾（側(cè)向），平尾翼尖（法向）部位裝置加速度計，測出加速度隨迎角、速度、馬赫數(shù)及過載變化的時間歷程曲線，曲線開始發(fā)散點即表示振動開始發(fā)生，從而可定出振動迎角、速度、馬赫數(shù)及振動強(qiáng)度。用Origin軟件處理飛機(jī)振動飛行試驗數(shù)據(jù)的方法是：根據(jù)飛行試驗各測量點的加速度-時間歷程數(shù)據(jù)在Origin工作表窗口中繪出加速度-時間歷程曲線圖，然后根據(jù)飛機(jī)迎角、飛行高度、速度、馬赫數(shù)及過載隨時間變化的曲線圖確定出各測量點振動加速度曲線開始發(fā)散及達(dá)到最大值時飛機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，再根據(jù)飛機(jī)振動達(dá)到最大值時的加速度-時間歷程曲線，用Origin軟件的曲線處理功能對曲線作濾波，平滑處理，消除外界干擾造成的高頻成份，得到能真實反映機(jī)體結(jié)構(gòu)振動情況的加速度-時間歷程曲線。對曲線作快速傅立葉變換（FFT）得到測量點的振動幅度及相位頻譜圖，依據(jù)該圖可以確定各測量點處結(jié)構(gòu)的振動強(qiáng)度及振動頻率。根據(jù)以上信息可以對飛機(jī)結(jié)構(gòu)振動機(jī)理作進(jìn)一步的理論分析，指導(dǎo)飛機(jī)的減振、排振工作。

Origin軟件處理振動數(shù)據(jù)的過程如圖1所示。

圖1 Origin軟件處理振動數(shù)據(jù)過程

2 飛行振動原始數(shù)據(jù)處理

2.1 飛機(jī)振動數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)

1）將振動原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理量：被測物理量經(jīng)過傳感器、信號調(diào)節(jié)器、多路傳輸系統(tǒng)后，輸出的僅僅是一種以某種形式表現(xiàn)的電信號，這種形式的原始數(shù)據(jù)對使用者來說，既不直觀又沒有明確的物理意義，因而不能使用。所以，數(shù)據(jù)處理的首要任務(wù)就時將振動原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理量，也就時對參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)計算，以工程單位表示。

2）對振動數(shù)據(jù)本身進(jìn)行某些變換加工：這是振動數(shù)據(jù)處理最主要的任務(wù)。如求均值或傅立葉變換；對有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進(jìn)行某些相互運(yùn)算，如通過直接測出的幾個參數(shù)來計算間接參數(shù)；還可以進(jìn)行各種更復(fù)雜的運(yùn)算。例如，測量飛機(jī)結(jié)構(gòu)在飛行中的振動情況，需要的是振動的頻率分布，但直接測量只能得到時間域內(nèi)的振動波形，所以必須對振動波形進(jìn)行傅立葉變換，這樣才能得到該振動波形的頻譜。

3）數(shù)據(jù)壓縮：為縮減數(shù)據(jù)的頻帶寬度，減少數(shù)據(jù)的傳輸量和存儲量以及為壓縮數(shù)據(jù)的存貯減少信息冗余度所采取的一系列處理技術(shù)。

2.2 飛行振動數(shù)據(jù)處理的主要方法

振動數(shù)據(jù)的處理方法主要有實時處理和事后處理。

1）實時處理，就是在飛行試驗的同時對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行某些處理。由于處理的時間是受限制的，一般只做一些簡單的和最基本的處理和顯示。

2）事后處理，由于處理的時間不受限制，因而可以做一些較復(fù)雜的和最終的處理。

目前，在飛行試驗中通常采用遙測實時數(shù)據(jù)處理，即在飛行試驗中，地面站將接受到的遙測信息直接送入專用的計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實時給出中間或某些最終結(jié)果的過程。其優(yōu)點是：

1）實時數(shù)據(jù)處理的結(jié)果能及時提供給研究人員進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，保證試飛科目的準(zhǔn)確進(jìn)行和飛行試驗的安全。這對風(fēng)險科目的試飛（如飛機(jī)顫振、失速、尾旋等）是十分必要的。

2）由于研究人員能在試飛中進(jìn)行實時監(jiān)控，提高了飛行試驗的靈活性，縮短了試飛周期。

飛行試驗地面振動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 飛行振動數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析及評定

通過對飛行振動數(shù)據(jù)的預(yù)處理和最終處理，可以得到飛機(jī)結(jié)構(gòu)各測量點的加速度—時間歷程、結(jié)構(gòu)的振動頻譜圖及飛機(jī)結(jié)構(gòu)振動過程中飛機(jī)的各狀態(tài)參數(shù)。從各測量點的加速度—時間歷程曲線可以得到結(jié)構(gòu)振動周期、振動開始、達(dá)到最大及趨于平穩(wěn)時的時間和對應(yīng)的振動量值；從振動頻譜圖可以進(jìn)一步了解到周期振動中包含哪些頻率成份和各種頻率分量的大??；從飛機(jī)的各狀態(tài)參數(shù)—時間歷程曲線可以得到準(zhǔn)確的飛機(jī)結(jié)構(gòu)振動過程中，振動變化時刻所對應(yīng)的飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)。

圖2 飛行試驗地面振動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)示意

對飛行振動數(shù)據(jù)處理結(jié)果的分析主要是通過數(shù)據(jù)處理結(jié)果掌握振動的性質(zhì)和特征，確定結(jié)構(gòu)振動的類型，找出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動的振源，并將試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果相對比，以此來評定數(shù)據(jù)處理的好壞。通過對飛機(jī)各部件振動情況的分析，還可以對其進(jìn)行相關(guān)性分析，確定振源對各部件的影響情況，便于對振動情況超出許可值的部件進(jìn)行減振、排振工作。

3 某飛機(jī)平尾振動數(shù)據(jù)處理及分析

振動原始數(shù)據(jù)取自某型飛機(jī)為解決機(jī)體結(jié)構(gòu)振動而進(jìn)行的振動實測飛行，為了提高數(shù)據(jù)處理的效率，在實際的數(shù)據(jù)處理過程中選取了振動加速度變化比較明顯的一段數(shù)據(jù)作為分析對象。該段數(shù)據(jù)是飛機(jī)在近3000m的高度，速度從250km/h水平加速到772km/h后再減速時飛機(jī)平尾翼尖和前緣的振動實測數(shù)據(jù)。

從圖3、圖4可以看出，在400km/h之前平尾前緣和翼尖的振動值基本相同，從400km/h增加到480km/h的過程中，平尾前緣和翼尖的振動量隨速度的增加線性增加，并在480km/h的時候達(dá)到最大值，約為±10g；速度從520km/h增加到600km/h的過程中，平尾前緣和翼尖的振動也隨速度的變化而迅速增大，并在速度達(dá)到600km/h時，振動量達(dá)到最大值，此時平尾前緣的振動值約為±15g，平尾翼尖的振動值約為±25g；速度從600km/h增加到772km/h的過程中，平尾前緣和平尾翼尖的振動量值都基本保持不變，平尾前緣的振動量值比平尾翼尖的要小，平尾前緣的振動量值基本在±15g，而平尾翼尖的振動量值基本在±18g；當(dāng)飛機(jī)速度從772km/h迅速減小時，平尾前緣和翼尖的振動也迅速減小。

圖3 高度、速度隨時間變化曲線

圖4 平尾前緣與翼尖的振動情況

從圖中可以明顯看出，平尾前緣和翼尖的振動基本上是隨著速度的增加而線性增加的，當(dāng)速度達(dá)到600km/h的時候，有一個不穩(wěn)定的擾流作用在飛機(jī)的平尾上，正是由于擾流的作用引起了平尾的振動，因而引起了飛機(jī)機(jī)體的振動。通過對比發(fā)現(xiàn)，左、右平尾前緣和翼尖的振動響應(yīng)值與時間的對應(yīng)關(guān)系幾乎完全相同，說明外界擾流引起的飛機(jī)左、右平尾的響應(yīng)是一樣的，引起飛機(jī)平尾振動的振源可能只有一個，而且極有可能是在飛機(jī)后機(jī)身上。

基于以上的振動規(guī)律和初步分析，對平尾前緣和翼尖在外界激勵下的振動響應(yīng)作振動頻譜分析，取飛機(jī)速度在600km/h時的一段數(shù)據(jù)作為研究對象，此時平尾前緣和翼尖的振動如圖5所示，平尾翼尖和平尾前緣的振動頻譜圖如圖6、圖7所示。

圖5 V=600km/h時平尾前緣和翼尖的振動情況

圖6 V=600km/h時平尾翼尖振動頻譜

圖7 V=600km/h時平尾前緣振動頻譜

4 結(jié)語

1）從V=600km/h起，飛機(jī)的左右平尾都以同一個固定的頻率振動，而且都是單頻的，說明此時有一個接近于飛機(jī)某階固有頻率的外界激勵作用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，這個外界激勵很可能是由于氣流分離形成氣流渦引起的；

2）從圖4可以看出，平尾前緣的振動與平尾翼尖的振動存在相位差；

3）可以看出，平尾前緣與翼尖在外界擾流作用下振動頻率雖然相同，但有很明顯的“拍”振現(xiàn)象，所謂的“拍”振現(xiàn)象就是當(dāng)激勵的驅(qū)動頻率接近系統(tǒng)的某階固有頻率時，系統(tǒng)產(chǎn)生的一種周期為2π/ω，而幅值可變且是正弦函數(shù)形式的振動響應(yīng)。

4）平尾的振動頻率在63Hz左右，這與平尾二彎的頻率很接近，說明當(dāng)飛機(jī)速度達(dá)到600km/h時，可能外界激勵的頻率激起了平尾二彎的固有頻率，因而使平尾產(chǎn)生了“拍”振現(xiàn)象。

[1]周劍平.Origin實用教程.西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

[2]張阿舟，諸德超，姚起杭，等.實用振動工程[M].第二卷.北京：航空工業(yè)出版社，1997.

[3]張阿舟，姚起杭.振動制造工程[M].北京：航空工業(yè)出版社，1989.社，1989.

>>>作者簡介

易堅，男，1988年2月出生，2010年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Study on Method of Flight Vibration Data Processing Based on Origin Software

Yi Jian,Han Jinping,Lu Jianyin,Li Shanxun
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

Data processing is the last and very important step in flight test.In any test,the test results cannot be provided to customers until data is processed.The paper introduces the method and process of flight vibration data processing using Origin data processing software,and the software is used to process the vibration data of horizontal tail,meanwhile,the processed result is evaluated and analyzed.

data processing,Origin software,vibration,frequency spectrum analysis

2015-12-28）