基于能量譜的時域波形再現(xiàn)瞬態(tài)振動環(huán)境試驗(yàn)方法研究論文
引言
航空航天器發(fā)射、飛行過程中存在瞬態(tài)振動環(huán)境.十幾年來，對這種瞬態(tài)環(huán)境的試驗(yàn)?zāi)M一直是以沖擊響應(yīng)譜峰值等效為原則.但沖擊的破壞機(jī)理較復(fù)雜，沖擊譜相同的脈沖時域波形并不一定引起相同的破壞.因此為了更真實(shí)地模擬瞬態(tài)振動環(huán)境，除了滿足沖擊譜的要求之外，必須使模擬波形盡量接近瞬態(tài)環(huán)境.
目前，國內(nèi)外對這類瞬態(tài)振動環(huán)境的地面模擬有快速正弦掃描、窄帶隨機(jī)掃描、隨機(jī)振動、時域波形再現(xiàn)和能量譜等方法，幾種模擬方法各有特點(diǎn).目前查到關(guān)于瞬態(tài)振動的模擬試驗(yàn)方法的資料主要是英美兩國的軍用標(biāo)準(zhǔn).美軍標(biāo)MIL STD-8106 (2008版)將瞬態(tài)振動的模擬試驗(yàn)方法從MIL STD-810E的“炮擊振動”一章中獨(dú)立出來，單獨(dú)列為一章，稱為“時域波形再現(xiàn)”.本文介紹一種基于能量譜密度平均幅值信息與典型外場數(shù)據(jù)相位信息經(jīng)傅里葉反變換的時域波形再現(xiàn)瞬態(tài)振動試驗(yàn)方法.
1能量譜密度
能量譜密度或稱為瞬態(tài)自譜.對具有隨機(jī)特性的瞬態(tài)信號，可以用能量譜密度來描述其頻率分布:式中n為平均次數(shù);F切表示第i個平均數(shù)據(jù)段的傅里葉譜;能量譜密度是對n個統(tǒng)計上等效的瞬態(tài)信號的傅立葉譜的平方平均，單位9zgsec / Hz.它與功率譜密度計算方法相同.
在不能獲得多個瞬態(tài)信號樣本時，可對單次瞬態(tài)信號傅立葉譜進(jìn)行譜線平均(按等間隔或倍頻程間隔).
2基于能量譜反變換的時域波形再現(xiàn)方法
2. 1隨時間變化的ESD幅值信息
本文以某型號外場彈射試驗(yàn)獲得的大量瞬態(tài)振動數(shù)據(jù)為例.為瞬態(tài)振動典型時間歷程，這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)時間歷程必須有一定的波形一致性.為波形變化趨勢一致的三組外場瞬態(tài)振動時間歷程.由于瞬態(tài)振動的非平穩(wěn)性對這些數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分段ESD估計(傅里葉變換FFT點(diǎn)數(shù)1024ESD估計點(diǎn)數(shù)1024，平均次數(shù)5，信號采樣頻率Sk)，并對每段ESD進(jìn)行幅值最大包絡(luò)，如圖3所示.圖中大量黑色曲線為外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)ESD估計曲線，紅色線為最大包絡(luò)曲線.為不同時間分段平均ESD估計，可以看出ESD隨時間變化譜值發(fā)生變化體現(xiàn)出瞬態(tài)振動的非平穩(wěn)特征.最后，通過最大包絡(luò)ESD譜值通過公式(1)獲得傅里葉譜幅值信息.本文ESD包絡(luò)方法采用最大包絡(luò)，也可參照隨機(jī)振動功率譜密度包絡(luò)方法.
2. 2典型外場瞬態(tài)振動相位信息
在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取幅值最大的時間歷程，按與2. 1節(jié)譜變化相同的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行FFT變換獲得典型相位.這里相位不能進(jìn)行平均處理.將獲得的相位信息與通過ESD最大包絡(luò)獲得的傅里葉譜幅值信息經(jīng)FFT反變換得到振動臺開環(huán)控制的時域波形，反變換得到的時域波形與具有典型相位信息的外場時間歷程比較圖.該方法流程圖.特別指出若外場數(shù)據(jù)為產(chǎn)品自身響應(yīng)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行振動臺與產(chǎn)品之間的傳遞標(biāo)定，詳細(xì)步驟見MIL STD-8106附錄A;若外場數(shù)據(jù)為產(chǎn)品安裝處響應(yīng)，則直接應(yīng)用此方法在振動臺上應(yīng)用時域波形再現(xiàn)模塊將反變換的時域波形輸入即可.
3與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法比較
傳統(tǒng)試驗(yàn)室試驗(yàn)方法來模擬瞬態(tài)振動環(huán)境的不足.本文著重說明本文提出的方法與美軍標(biāo)直接時域波形再現(xiàn)方法的比較.域波形作為直接時域波形再現(xiàn)的開環(huán)波形;紅色曲線為反變換方法得到的時域波形.能量譜反變換均方根值時間歷程與典型波形均方根值時間歷程比較.反變換后沖擊響應(yīng)譜與典型波形沖擊響應(yīng)譜比較.可以看出經(jīng)過平均統(tǒng)計能量譜反變換的RMS以及SRS基本包絡(luò)直接波形再現(xiàn)典型波形的RMS以及SRS.在個別時間點(diǎn)及頻率點(diǎn)出現(xiàn)的超差是由于ESD譜變換過程中參與譜變換的點(diǎn)數(shù)較多以及平均次數(shù)過多.降低變換點(diǎn)數(shù)以及平均次數(shù)可以減少超差，但增加計算量.
4結(jié)論
本文介紹了一種基于能量譜密度平均幅值信息與典型外場相位信息經(jīng)傅里葉反變換的時域波形再現(xiàn)瞬態(tài)振動試驗(yàn)方法.經(jīng)過與直接時域波形再現(xiàn)方法的比較發(fā)現(xiàn)反變換的時域波形保持了外場數(shù)據(jù)最大沖擊響應(yīng)譜值的特性，且時域波形趨勢特征與外場數(shù)據(jù)一致.由于其采用統(tǒng)計平均能量譜對大量外場數(shù)據(jù)進(jìn)行最大包絡(luò)，其時域均方根值包絡(luò)覆蓋直接時域波形再現(xiàn)方法，此方法更具統(tǒng)計意義，具有工程應(yīng)用價值.該方法為今后直接使用能量譜控制的瞬態(tài)振動振動臺試驗(yàn)方法及振動控制方法提供技術(shù)支撐.
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