飛行器振動特性及環境標準的估計

朱 虹

遼寧裝備制造職業技術學院（沈陽 110161）

由于飛行器結構復雜、零件部件繁多、工作環境多變等復雜的力學環境，使得飛行器飛行過程中的振動和沖擊問題十分突出。其激振源主要有飛行器發動機振動、大氣層飛行過程中氣流畸變等。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構的非線性，使得飛行器的振動頻帶很寬、形式復雜。因此科學合理地對飛行器數據進行處理，并在此基礎上運用概率和統計的方法進行歸納，評估其可靠性，制定相應的試驗和鑒定標準，對航空事業的發展意義重大。

1 理論和方法

1.1 數據的獲取和預處理

在飛行器上選定相應的測點，利用各種傳感器將機械振動量值轉換成對應的電壓或電流信號，再利用AD轉換器轉換成數字信號，然后對這個數字信號進行分段選取。在處理的開始階段還需對信號進行預處理，以確定信號的變化趨勢，去除信號中的奇異點和噪聲等。

1.2 譜分析方法

隨機振動由于它本身的不確定性，只能夠用統計方法來研究。在頻域上進行各種頻譜分析、傳遞函數分析和相干函數分析。本文在處理飛行器振動和沖擊信號時運用了沖擊譜和功率譜分析。

(1)沖擊譜

沖擊響應譜系指一系列單自由度質量彈簧阻尼系統，當其公共基礎受到所測瞬態信號激勵時，每個單自由度系統產生的響應峰值作為該單自由度系統固有頻率的函數繪出的圖。

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

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

(2)功率譜

對于平穩隨機數據，計算功率譜的函數的常用方法有兩種，其一是對自相關函數作傅立葉變換，通常稱為 BT法。其二是對原始數據通過FFT變換，通常稱為周期法。在本文中采用周期圖法。

在時域進行矩形截斷后進行傅立葉變換，必然引起譜窗的褶積，并帶來兩個后果：其一是譜窗的帶寬不能夠無限小，造成頻域的分辨率有限；其二是由于譜窗通常是由一個近似三角形的主瓣和向兩側衰減延伸的若干旁瓣組成的，這樣褶積后會使計算上的“功率”通過旁瓣“泄漏”到該頻率兩側的其它頻率上去，同時，其它頻率上的“功率”也會通過旁瓣“泄進”到該頻率上來，這種“泄漏”和“泄進”就會造成原譜的失真。為了減小“泄漏”和“泄進”造成的誤差，可以采用其它形式的截斷方法，即采用不同的譜窗。常用的截斷窗有矩形窗、海寧窗、漢明窗等。文中采用矩形窗。

(3)數據統計估計

根據以上結論可以得到正態單邊上限。

2 計算實例

利用上述方法，對某型飛行器在某個時段的振動信號進行處理，結果如圖1和圖2所示。

圖 1 功率譜

圖2 沖擊譜

從圖1和圖2可以得到信號主要集中在250 Hz，系統的損傷在 1000 Hz時最敏感。對沖擊譜進行99/90單邊上限估計如圖3所示。

圖 3 單邊上限估計

對單邊上限估計進行直線包絡，可以得到振動環境包絡線，如圖4所示。此包絡線可以作為今后我們進行設計的振動環境標準。3 結論

圖4 直線包絡

通過本文的理論研究分析方法，可以在以下幾個方面產生積極的作用。

(1)從單個測點測量信號分析，判斷各路傳感器是否均明顯的記錄了飛行器的各個動作，通過統計分析測量數據是否具有可靠性。

(2)在結構分析的基礎上,根據結構和響應頻率的變化，確定結構特性以及環境載荷。為設計飛行環境試驗條件提供可靠的數理統計依據。

[1]任名章.機械振動沖擊與響應譜分析方法.北京:機械工業出版社, 2011.

[2]曹源,汪鳳泉,童麗萍.沖擊響應譜匹配的改進多目標遺傳算法研究.應用科學學報, 2007.3（3）.

[3]應懷樵.現代振動與噪音技術.北京:航空工業出版社,2008.

[4]余訓鋒,馬大瑋,魏琳.改進周期圖法功率譜估計中的窗函數仿真分析.計算機仿真,2008.(3).