基于外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的非平穩(wěn)非高斯振動(dòng)試驗(yàn)條件制定

吳家駒 蘇華昌 賀智國(guó) 于亮

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

0 引言

地面和飛行運(yùn)載工具在使用中會(huì)承受隨機(jī)振動(dòng)載荷環(huán)境，通常用功率譜定義的平穩(wěn)高斯隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)來對(duì)這些運(yùn)載工具中零部件進(jìn)行鑒定考核。但現(xiàn)實(shí)中隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境并非完全是平穩(wěn)高斯的，例如不規(guī)則路面和湍流壓力擾動(dòng)等引起的振動(dòng)。傳統(tǒng)的高斯隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)信號(hào)沒有再現(xiàn)使用過程中遇到的沖擊等環(huán)境特征，產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M存在失真，導(dǎo)致較高的外場(chǎng)失效率，增加了額外的研制費(fèi)用。隨著數(shù)據(jù)處理硬件和軟件的發(fā)展及先進(jìn)控制策略的應(yīng)用，現(xiàn)代控制儀能夠按規(guī)定功率譜和峭度產(chǎn)生非高斯激勵(lì)信號(hào)，控制峭度使得振動(dòng)試驗(yàn)更真實(shí)，因而更接近實(shí)際使用載荷環(huán)境。

目前的商品化控制儀，或用“時(shí)間波形再現(xiàn)”模塊，或用“峭度控制”模塊，按規(guī)定的功率譜和峭度產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)非高斯隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。但是，受多種原因影響，基于功率譜和峭度控制的試驗(yàn)方法至今尚未正式成為軍用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)試驗(yàn)方法。一方面，根據(jù)自譜和峭度產(chǎn)生非高斯隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間歷程的方法很多，但相同參數(shù)所產(chǎn)生的效果卻并不一致[1]；另一方面，缺乏依據(jù)外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定振動(dòng)試驗(yàn)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)方法。歸根到底，是自譜和峭度不能完整表征現(xiàn)實(shí)世界多數(shù)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境。

本文將非高斯隨機(jī)振動(dòng)和非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)統(tǒng)一表征為乘積模型，以此提出了一種依據(jù)外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定軍用設(shè)備的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)通用方法。重點(diǎn)討論了烈度速變和緩變的兩類外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不同表征和處理方法，并用實(shí)測(cè)信號(hào)演示了振動(dòng)試驗(yàn)規(guī)范的形成過程。

1 隨機(jī)振動(dòng)的模型化

制定振動(dòng)試驗(yàn)規(guī)范的目的是提供試驗(yàn)和計(jì)算的輸入條件。在航空航天、汽車和能源等工業(yè)界，零部件要按所經(jīng)受的實(shí)際工作環(huán)境條件來設(shè)計(jì)，以保證其使用壽命?？蛊谠O(shè)計(jì)可以減少擔(dān)保費(fèi)用和不必要的維護(hù)，增加安全性和可靠性，獲得更好的產(chǎn)品聲譽(yù)。振動(dòng)試驗(yàn)的目的是鑒定產(chǎn)品的耐久性，為了復(fù)現(xiàn)和實(shí)際條件相同的破壞機(jī)理，試驗(yàn)規(guī)范必須能真實(shí)代表使用載荷。使用載荷有兩種表示方法，一種是與被激勵(lì)系統(tǒng)特征無關(guān)的外力，另一種是與被激勵(lì)系統(tǒng)特征密切相關(guān)的振源系統(tǒng)界面運(yùn)動(dòng)。無論是外場(chǎng)測(cè)量還是室內(nèi)試驗(yàn)，使用運(yùn)動(dòng)激勵(lì)（尤其是加速度）最為方便，但力激勵(lì)的模型化相對(duì)簡(jiǎn)單?；鸺耐饬?lì)包括發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)推力、噴流噪聲和氣動(dòng)噪聲，就振源本身而言，通常都假設(shè)為平穩(wěn)高斯的，只因飛行速度的變化才產(chǎn)生非平穩(wěn)非高斯隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)。地面運(yùn)行的車輛，同一路面上勻速行駛時(shí)外激勵(lì)也認(rèn)為是平穩(wěn)高斯的。車速變化引起的烈度變化，隨機(jī)出現(xiàn)的路面坑洼脈沖激勵(lì)引起的突發(fā)響應(yīng)，使得振動(dòng)分布呈現(xiàn)出非平穩(wěn)非高斯特征。為了規(guī)范外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的表征和處理，文獻(xiàn)[2]通過機(jī)理分析用三個(gè)數(shù)學(xué)模型描述上面各種工況的振動(dòng)激勵(lì)，第一種是用乘積公式

將振動(dòng)激勵(lì)表示成一個(gè)有規(guī)定功率譜密度的高斯載波被一個(gè)與載波無關(guān)的低頻隨機(jī)波調(diào)制，它適合用作噴流噪聲、氣動(dòng)噪聲和輪式車輛振動(dòng)的分析模型。第二種是用求和公式

將振動(dòng)激勵(lì)表示成周期隨機(jī)沖擊引起的瞬態(tài)響應(yīng)與高斯基波的疊加，它適合用作沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)壓力震蕩、高鐵和履帶式車輛振動(dòng)以及炮擊振動(dòng)的分析模型。第三種是用卷積公式

將振動(dòng)激勵(lì)表示成非線性系統(tǒng)對(duì)高斯振動(dòng)激勵(lì)的響應(yīng)，它適合用作輪胎和彈簧等非線性引起的非高斯隨機(jī)振動(dòng)的分析模型。

制定試驗(yàn)規(guī)范的依據(jù)通常是外場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量的振動(dòng)加速度，它本質(zhì)上是系統(tǒng)對(duì)外激勵(lì)的響應(yīng)。從運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的角度，這三個(gè)模型的結(jié)果可以等效。例如，卷積公式所代表的非線性系統(tǒng)響應(yīng)是平穩(wěn)非高斯振動(dòng)，如果系統(tǒng)表現(xiàn)為弱非線性，那么可以用乘積模型近似。按經(jīng)典的隨機(jī)振動(dòng)理論[2]，在多脈沖瞬態(tài)激勵(lì)情況下，當(dāng)脈沖出現(xiàn)的平均速率趨于無限大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)隨機(jī)過程變成高斯的。如果(2)式中隨機(jī)脈沖的大小和出現(xiàn)時(shí)刻互相獨(dú)立時(shí)，那么求和公式與乘積公式等價(jià)。這樣多數(shù)非平穩(wěn)非高斯隨機(jī)振動(dòng)可用單一的乘積公式模型化[1,3]。文[5]則提出了乘積公式分解獲得實(shí)測(cè)信號(hào)時(shí)變烈度的物理方法，包括：a)通過遞歸和非遞歸濾波器實(shí)現(xiàn)數(shù)字低通濾波；b)通過回歸分析移走趨勢(shì)項(xiàng)的多項(xiàng)式曲線擬合；c)通過短時(shí)平均獲取逐段方差估計(jì)（滑動(dòng)平均）。

無量綱平穩(wěn)高斯載波反映出信號(hào)的頻域特征，可用傳統(tǒng)的功率譜估計(jì)方法處理。調(diào)制波除了包含著信號(hào)的幅值域分布信息外，還包含著信號(hào)的甚低頻（下邊界）特征。典型試驗(yàn)結(jié)果表明，完整模擬外場(chǎng)環(huán)境只有功率譜和峭度還是不夠的。文[6]和[7]先后推出用跌宕周期和跌宕周期譜來表征那些被傳統(tǒng)譜分析所忽略的信息。根據(jù)調(diào)制波的跌宕起伏程度，外場(chǎng)環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)可分為兩類。一類是平穩(wěn)或準(zhǔn)平穩(wěn)的，但烈度速變呈非高斯分布的振動(dòng)，例如炮擊振動(dòng)、壓力震蕩、高鐵和履帶式車輛振動(dòng)等。另一類是非平穩(wěn)的，烈度緩變的振動(dòng)，例如輪式車輛振動(dòng)和火箭動(dòng)力飛行振動(dòng)等。這兩類信號(hào)的二次分解，表征參數(shù)的選擇及其統(tǒng)計(jì)方法有各自特點(diǎn)。為敘述方便，本文將前者稱為“炮震類”非高斯隨機(jī)振動(dòng)，后者稱為“運(yùn)輸類”非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)。雖然從分類學(xué)角度未必合理，但能與目前商品化控制儀的“高峭度控制”和“變烈度控制”功能模塊分類接軌。

2 “炮震類”非高斯隨機(jī)振動(dòng)

圖1是“炮震類”非高斯隨機(jī)振動(dòng)實(shí)例，左端從上到下依次是高鐵列車齒輪箱振動(dòng)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)壓力震蕩和艦艇炮塔基礎(chǔ)上的炮擊振動(dòng)。右端是對(duì)應(yīng)的概率密度函數(shù)和峭度，與正態(tài)分布函數(shù)的比較。圖2則是“點(diǎn)射”和“連射”炮擊振動(dòng)比較，點(diǎn)射的峭度為4.63，連射的峭度為2.91，后者十分接近正態(tài)分布（峭度3）。這一類信號(hào)的特點(diǎn)是周期地出現(xiàn)隨機(jī)沖擊響應(yīng)。文獻(xiàn)[8]-[10]提出了多種模擬方法，但是因效果不一而難以標(biāo)準(zhǔn)化。文獻(xiàn)[11]、[12]采用兩個(gè)參數(shù)自譜和峭度表征這種非高斯隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)，并能在振動(dòng)控制儀上通過譜閉環(huán)控制模式實(shí)現(xiàn)。但是，由于表征參數(shù)不完備，缺乏時(shí)域表征參數(shù)，而且表征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法也不統(tǒng)一[13,14]，不同方法模擬效果不一的問題仍沒有解決，下面用一個(gè)算例加以說明。

圖1 非高斯隨機(jī)振動(dòng)實(shí)例 Fig.1 Non-Gaussian random vibration example

圖2 點(diǎn)射和連射炮擊振動(dòng)比較 Fig.2 Comparison of gunfire vibration between burst and continuous firing

用應(yīng)力篩選譜和規(guī)定的峭度按文[14]建議的移動(dòng)海寧窗法，產(chǎn)生“炮震類”非高斯時(shí)間波形。特別設(shè)定脈寬（與移動(dòng)海寧窗寬度對(duì)應(yīng)）分別為1/4、1/16和1/64秒三種情況，如圖3(a)所示（圖中Ku表示重構(gòu)信號(hào)峭度，設(shè)定值為7。圖3(b)是參考譜和重構(gòu)信號(hào)譜，圖中標(biāo)出了時(shí)域計(jì)算的烈度（均方根值）。圖3(c)是重構(gòu)信號(hào)作為輸入時(shí)的單自由度輸出的峭度譜。圖3(d)則是重構(gòu)信號(hào)作為輸入時(shí)的單自由度輸出的相對(duì)累積損傷譜，圖右上方標(biāo)出頻域計(jì)算的烈度（帶內(nèi)均方根值）。圖3(c)所示的輸出峭度譜表明，經(jīng)過系統(tǒng)混響，“寬”脈沖比“窄”脈沖的輸入峭度容易在響應(yīng)中保留，因而像圖3(d)所展示的那樣，“寬”脈沖比“窄”脈沖的輸入相對(duì)容易造成損傷，或者說作為試驗(yàn)條件脈寬較寬者相對(duì)而言要保守些。這個(gè)被稱為頻域烈度控制的例子，說明表征非高斯隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，除頻域（自譜）和幅值域（峭度）外，還必須規(guī)定時(shí)域參數(shù)（突發(fā)周期和脈寬）。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)對(duì)原始信號(hào)作譜分析時(shí)，分辨率的選擇要受脈寬尺度的限制。改變分辨率會(huì)影響非高斯信號(hào)的譜形，因此按乘積分解后的載波作為非高斯信號(hào)的自譜表征參數(shù)比較恰當(dāng)。

圖3 頻域烈度控制 Fig.3 Frequency domain intensity control

第一節(jié)提到的三種分解方法都可用來應(yīng)對(duì)“炮震類”外場(chǎng)測(cè)量隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)。從精確環(huán)境模擬角度，尤其是窄脈寬尖峰信號(hào)用絕對(duì)值濾波方法比較好，不過滑動(dòng)平均是相對(duì)保守的處理方法。圖4是典型非高斯振動(dòng)信號(hào)的分解，其中 ()xt是原始信號(hào)， ()wt為調(diào)制波， ()gt為高斯載波。根據(jù)信號(hào)長(zhǎng)度和統(tǒng)計(jì)精度要求，優(yōu)化滑動(dòng)平均時(shí)間能改善載波的正態(tài)性

圖4中所示n= 244,ε= 0.045。平穩(wěn)載波被用來估計(jì)功率譜PSD，成為信號(hào)的頻域特征。信號(hào)的幅值域特征為烈度σ和峭度Ku，既可以直接從原始信號(hào)中獲得，也可以通過調(diào)制波獲得。信號(hào)的時(shí)域跌宕周期則需要從調(diào)制波獲得，圖5是調(diào)制波及其重構(gòu)波形。圖中突峰出現(xiàn)的時(shí)間間隔Te和等效脈沖寬度To本文統(tǒng)稱為跌宕周期，Bo為基底烈度，用以調(diào)整功率譜密度量級(jí)，它們都是隨機(jī)變量，可以統(tǒng)計(jì)處理按設(shè)定的分布形成試驗(yàn)條件。針對(duì)不同工況，仍可使用Miner法則實(shí)施時(shí)間壓縮等制定試驗(yàn)條件的常規(guī)做法。

圖4 非高斯振動(dòng)信號(hào)分解 Fig.4 Non-Gaussian vibration signal decomposition

圖5 調(diào)制波擬合跌宕周期 Fig.5 Modulated wave fitting roll period

利用該方法，能通過外場(chǎng)測(cè)量的時(shí)域信號(hào)，提煉出表征“炮震類”動(dòng)力學(xué)環(huán)境的參數(shù)：用Bo標(biāo)定的PSD、峭度Ku、突發(fā)周期Te和等效帶寬To，這些參數(shù)構(gòu)成試驗(yàn)條件的全部要素。圖6是依據(jù)單一外場(chǎng)測(cè)量，按乘積公式分解方法制定試驗(yàn)條件流程。

圖6 乘積公式分解制定試驗(yàn)條件流程 Fig.6 Develop test specification process according to product formula decomposition

圖7是高鐵列車齒輪箱的實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)和按兩種方法重構(gòu)的時(shí)間波形，一種是優(yōu)化相位法（中圖）[12]，另一種是移動(dòng)海寧窗調(diào)制法（底圖），所用基本參數(shù)完全一樣。圖8是疲勞損傷譜圖，圖9是功率譜圖，圖10是幅值概率分布圖。比較結(jié)果表明，無論是信號(hào)的外形和作為輸入所產(chǎn)生的累積損傷效果，增加時(shí)域約束的窗函數(shù)調(diào)制法都略勝一籌。如果要對(duì)功率譜“折線”化，那么兩個(gè)方法的差距更大。這是因?yàn)榇昂瘮?shù)調(diào)制法始終可以控制設(shè)定的脈寬，所重構(gòu)時(shí)間波形的脈寬不受譜型影響；而優(yōu)化相位法所重構(gòu)時(shí)間波形的脈寬與譜型有關(guān)，譜型越平直，脈寬越窄。

圖7 高鐵振動(dòng)實(shí)測(cè)與重構(gòu)的時(shí)間波形 Fig.7 Measured and reconstructed high-speed railway vibration time history

圖8 累積損傷效果比較 Fig.8 Comparison of cumulative damage effects

圖9 功率譜控制效果 Fig.9 Control effect of power spectrum

圖10 幅值概率分布比較 Fig.10 Comparison of amplitude probability distribution function

3 “運(yùn)輸類”非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)

基于乘積模型處理運(yùn)輸類外場(chǎng)測(cè)量時(shí)間歷程的各種方法，本質(zhì)上都是用局部平穩(wěn)高斯隨機(jī)振動(dòng)來近似非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)，方法之間的差別在于調(diào)制波的表征。一種用時(shí)變烈度的幅值分布表征[3]，另一種用時(shí)變烈度的頻率分布表征[15]。文[3]的基本思想是在維持相同概率密度函數(shù)的前提下，用若干段平穩(wěn)高斯振動(dòng)來近似非平穩(wěn)非高斯振動(dòng)。其理論基礎(chǔ)是隨機(jī)振動(dòng)的瞬時(shí)值概率密度函數(shù)，在自然對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，高斯分布的為直線，非高斯分布的為曲線。實(shí)測(cè)的密度函數(shù)曲線可用幾條直線近似，每條直線表示一段高斯信號(hào)，信號(hào)的長(zhǎng)度和劑量（量級(jí)）可通過直線的斜率和截距求得。每一次外場(chǎng)測(cè)量記錄可得到段長(zhǎng)和劑量的幾個(gè)樣本，最后得到段長(zhǎng)的分布函數(shù)。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)先產(chǎn)生均勻分布隨機(jī)數(shù)，與段長(zhǎng)分布函數(shù)和劑量分布函數(shù)匹配后，重構(gòu)出由若干段直線構(gòu)成的調(diào)制波?；诜植己瘮?shù)匹配方法的時(shí)變烈度試驗(yàn)控制方案是可取的，但也有局限性。其一，方法只統(tǒng)計(jì)了幅值域的分布，沒有考慮烈度的時(shí)域波動(dòng)特征；其二，用多段短直線去擬合一條確定曲線有多種可能性，段長(zhǎng)分布函數(shù)不是客觀存在的反映。

由上一節(jié)(4)式分析可知，實(shí)現(xiàn)非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)分解，可以在滿足統(tǒng)計(jì)精度和載波接近高斯分布的要求之間找到滑動(dòng)平均時(shí)間的最優(yōu)值。因此，重構(gòu)烈度時(shí)間波形時(shí)，采用信號(hào)的單一優(yōu)化段長(zhǎng)，只需匹配劑量分布函數(shù)，這樣的改進(jìn)可以簡(jiǎn)化試驗(yàn)條件的表征。運(yùn)輸類非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)規(guī)范，除載波功率譜以和優(yōu)化段長(zhǎng)外，只包括時(shí)變烈度概率分布函數(shù)。而且后者在多數(shù)情況下可以用兩個(gè)參數(shù)限定的分析式表征，這樣進(jìn)一步簡(jiǎn)化外場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理。圖11是本文提出的改進(jìn)分布函數(shù)匹配法的試驗(yàn)條件制定流程，沒有計(jì)及時(shí)間壓縮和譜線規(guī)整等常規(guī)操作。圖12是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面運(yùn)輸時(shí)同一個(gè)測(cè)點(diǎn)同一個(gè)方向?qū)崪y(cè)振動(dòng)的九個(gè)樣本。圖13和圖14是用圖12所示九個(gè)樣本制定的試驗(yàn)條件，包括載波功率譜、幅值分布函數(shù)和烈度分布函數(shù)。用這些參數(shù)再造隨機(jī)的調(diào)制波和載波。一共完成了九次虛擬試驗(yàn)，圖15是九次虛擬試驗(yàn)的時(shí)間歷程，圖16則是外場(chǎng)測(cè)量和虛擬試驗(yàn)的幅值概率密度函數(shù)。圖17為虛擬試驗(yàn)與外場(chǎng)測(cè)量累積損傷（九次運(yùn)行的平均值）對(duì)比。表1則列出分析和綜合的參數(shù)。

圖12 道路運(yùn)輸實(shí)測(cè)振動(dòng)子樣 Fig.12 Road transportation measured vibration sub sample

圖13 實(shí)測(cè)信號(hào)載波功率譜 Fig.13 Measured signal carrier power spectrum

圖14 實(shí)測(cè)信號(hào)幅值和烈度分布函數(shù) Fig.14 Measured signal amplitude and intensity distribution function

圖15 時(shí)變烈度虛擬試驗(yàn)時(shí)間歷程 Fig.15 Virtual time history of time-varying intensity

圖16 分析與綜合概率密度函數(shù) Fig.16 Analysis and synthesis probability distribution function

從圖17可以看到，在動(dòng)強(qiáng)度分析所關(guān)心的頻帶，虛擬試驗(yàn)的相對(duì)累積損傷均略高于外場(chǎng)環(huán)境的相對(duì)累積損傷。因此可以說適度保守地模擬了實(shí)際非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境。

圖17 分析與綜合累積損傷比較 Fig.17 Comparison of cumulative damage between analysis and synthesis

由表1可知，雖然在綜合過程中并沒有主動(dòng)控制峭度和波峰因子，但虛擬試驗(yàn)中的值總體上均高于外場(chǎng)測(cè)量值。虛擬試驗(yàn)的烈度為0.15，它是根據(jù)外場(chǎng)測(cè)量的均值0.123和標(biāo)準(zhǔn)差0.021按對(duì)數(shù)正態(tài)分布估計(jì)的。該方法在模擬運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境方面有一定優(yōu)勢(shì)：1）同樣的平均烈度下所預(yù)測(cè)的累積損傷效果相對(duì)安全；2）幅值概率密度函數(shù)與外場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果貼合得很好。不過，以數(shù)值形式給出的分布函數(shù)，還需要擬合形成解析式，進(jìn)而形成數(shù)據(jù)庫，這對(duì)于環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范化有很大好處。

表1 分析和綜合參數(shù)比較 Table 1 Analysis and synthesis parameter comparison

文[15] 依據(jù)軍用車輛跑車試驗(yàn)典型振動(dòng)信號(hào)，分析證實(shí)振動(dòng)烈度與車速的緊密相關(guān)性。提出可以將反映烈度時(shí)變的調(diào)制波表示成多個(gè)不同周期的正弦波疊加，其幅值和相位隨周期變化稱為跌宕周期譜，用奇異值分解技術(shù)得到。綜合效果表明，采用功率譜表征載波和跌宕周期譜表征調(diào)制波的“雙譜”控制方法，很好地再現(xiàn)了外場(chǎng)情景。不過，如何統(tǒng)計(jì)處理多種工況（剖面）組成的調(diào)制波系集以獲得跌宕周期譜，可能需要費(fèi)點(diǎn)心思。首選采用時(shí)平均的方法，因?yàn)槿舨捎孟嗥骄敲赐怀龅牡粗芷诜至亢苡锌赡鼙蝗趸?。業(yè)已證明，時(shí)變烈度跌宕起伏的快慢程度確實(shí)關(guān)系到零部件的累積損傷[14]。因此在決定是否采用更精細(xì)的綜合方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)判斷調(diào)制波分布是否具有明顯的確定性特征。

圖18是三種典型非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間歷程、時(shí)變烈度及其中心化自相關(guān)函數(shù)，第一個(gè)取自火箭主動(dòng)段飛行，后兩個(gè)均取自火箭公路運(yùn)輸測(cè)量。

圖18 典型時(shí)變烈度相關(guān)函數(shù) Fig.18 Correlation function of typical time-varying intensity

圖19的上半部分是時(shí)變烈度的概率密度函數(shù)包括原信號(hào)（深藍(lán)色）、分布函數(shù)匹配（淺藍(lán)色）和跌宕周期譜重構(gòu)（紅色），下半部分是其所對(duì)應(yīng)的累積損傷譜。調(diào)制波的相關(guān)函數(shù)反映出第一種有明顯的確定性特征，概率密度函數(shù)呈“盆形”，第三種有明顯的隨機(jī)性特征，概率密度函數(shù)與對(duì)數(shù)正態(tài)分布類似。第一種用跌宕周期譜的方法比較有效，第三種采用改進(jìn)的概率分布函數(shù)匹配方法比較合適。第二種介于二者之間，需要將兩種方法結(jié)合。既滿足跌宕周期譜又匹配時(shí)變烈度分布函數(shù)的調(diào)制波重構(gòu)方法將在另外的報(bào)告中討論。

4 火箭動(dòng)力飛行隨機(jī)振動(dòng)

上面討論了兩類典型隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境的表征、試驗(yàn)條件制定和室內(nèi)模擬方法，對(duì)一些信號(hào)處理工具的優(yōu)缺點(diǎn)有了進(jìn)一步的理解，本文希望用它們來處理更為復(fù)雜的非高斯非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)問題?；鸺齽?dòng)力飛行的全程隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境模擬，即實(shí)驗(yàn)室內(nèi)“模飛”一直是設(shè)計(jì)師感興趣的課題。實(shí)踐證明，無論是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞還是設(shè)備功能減退都與加載順序有關(guān)[14]。火箭動(dòng)力飛行所經(jīng)歷的動(dòng)力學(xué)環(huán)境包括瞬態(tài)振動(dòng)、非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)和沖擊等振動(dòng)現(xiàn)象，用統(tǒng)一的幅值概率密度函數(shù)和跌宕周期譜來表征顯然不合理。雖然也可以分時(shí)段處理[1,7]，但是作為試驗(yàn)條件又過于復(fù)雜。

圖20是彈道式火箭四次飛行試驗(yàn)儀器安裝部位的主動(dòng)段實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)。從中可以看到，對(duì)于特定型號(hào)的火箭，其主動(dòng)段飛行的時(shí)序是相對(duì)固定的，從點(diǎn)火起飛，經(jīng)過穩(wěn)態(tài)飛行到發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)和級(jí)間分離，只是每次飛行各個(gè)特征時(shí)段的長(zhǎng)短存在差異。這三種工況的烈度變化或由小到大、或由大變小、或急速增加然后衰減，調(diào)制波的相平均不會(huì)失去火箭全程烈度變化的時(shí)域特征，這樣各個(gè)特征時(shí)段的簡(jiǎn)單調(diào)制波波形用正交多項(xiàng)式擬合就比較有效。

圖21展示出多項(xiàng)式擬合法的制定試驗(yàn)條件流程。根據(jù)特定試驗(yàn)要求，修改歸一化功率譜的譜形，調(diào)整多項(xiàng)式系數(shù)，設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間和多個(gè)特征時(shí)段的起始時(shí)間，然后重構(gòu)成烈度時(shí)間歷程，并和功率譜一起構(gòu)成完整的全程試驗(yàn)條件。這樣，振動(dòng)試驗(yàn)控制必須與其匹配，實(shí)現(xiàn)功率譜與量級(jí)時(shí)變的實(shí)時(shí)控制。

圖21 多項(xiàng)式擬合法的制定試驗(yàn)條件流程 Fig.21 Develop test specification process according to polynomial fitting method

圖22是文[3]采用的雙參數(shù)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制框圖。

圖22 非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制框圖 Fig.22 Block diagram of non-stationary random vibration testing control

圖23是時(shí)平均得到的火箭振動(dòng)載波歸一化功率譜。

圖23 火箭飛行振動(dòng)載波自譜 Fig.23 Carrier auto power spectrum of rocket flight

圖24是圖20所示四個(gè)樣本分解出的調(diào)制波、按95/50正態(tài)容差限預(yù)示最大環(huán)境多項(xiàng)式擬合曲線。

圖20 火箭飛行典型振動(dòng)時(shí)間歷程 Fig.20 Typical vibration time-history of rocket flight

圖24 火箭飛行振動(dòng)時(shí)變烈度統(tǒng)計(jì) Fig.24 Statistics of time-varying intensity of rocket flight

圖25上圖是為適應(yīng)控制，由擬合曲線轉(zhuǎn)換成的步進(jìn)烈度時(shí)間歷程，下圖是虛擬試驗(yàn)的一次現(xiàn)實(shí)即“模飛”試驗(yàn)時(shí)間歷程。

圖25 虛擬試驗(yàn)條件和試驗(yàn)時(shí)間歷程 Fig.25 Virtual test specification and test time-history

圖26是虛擬試驗(yàn)與外場(chǎng)測(cè)量值的累積損傷效果比較。

圖26 虛擬試驗(yàn)與外場(chǎng)測(cè)量累積損傷比較 Fig.26 Comparison of cumulative damage between virtual test and field

5 結(jié)論

從總體上看，大多數(shù)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境實(shí)際都是非平穩(wěn)非高斯的，通常用平穩(wěn)高斯隨機(jī)振動(dòng)來“等效”：一個(gè)功率譜要素就可表征規(guī)定預(yù)測(cè)的環(huán)境烈度，而且再現(xiàn)環(huán)境的方法幾乎沒有本質(zhì)差別。但是單純地控制二次距（烈度），并不能保證預(yù)測(cè)環(huán)境的保守性，于是增加了高階距（峭度）要素的控制，來實(shí)現(xiàn)非高斯的幅值分布模擬?？刂聘唠A距的算法很多，但由于統(tǒng)計(jì)距是平穩(wěn)信號(hào)的總體特征，針對(duì)實(shí)際非平穩(wěn)環(huán)境的效果差別很大，于是又增加統(tǒng)計(jì)距隨時(shí)間變化的控制，來實(shí)現(xiàn)非平穩(wěn)的時(shí)變烈度模擬。雖然客觀世界的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境千變?nèi)f化，不可能用一個(gè)模型描述其所有特征，但是從保證軍用產(chǎn)品質(zhì)量考慮，外場(chǎng)數(shù)據(jù)處理、試驗(yàn)條件制定和振動(dòng)試驗(yàn)控制方法仍需要盡可能規(guī)范化。

乘積公式是本文用來統(tǒng)一表征大多數(shù)軍用產(chǎn)品使用環(huán)境的模型，它將外場(chǎng)測(cè)量的隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間歷程分解成平穩(wěn)高斯載波和時(shí)變烈度調(diào)制波。載波用歸一化的功率譜表征，其分析、統(tǒng)計(jì)和綜合沿用傳統(tǒng)的方法。時(shí)變調(diào)制波根據(jù)其起伏程度處理：突變的用峭度和跌宕周期（突發(fā)周期和脈寬）表征，緩變的用分布函數(shù)表征，復(fù)合的則用分段的多項(xiàng)式系數(shù)表征。后續(xù)，在此基礎(chǔ)上還可進(jìn)一步開展工作，將分布函數(shù)擬合形成解析式，用盡量少的參數(shù)來規(guī)范非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境。另外，本文建議方法的適用范圍，還需要通過更多的實(shí)際工況來檢測(cè)。