基于MATLAB的旋轉旋翼動特性試驗數(shù)據(jù)后處理

高建秀

摘 要：本文介紹了旋轉旋翼動特性試驗數(shù)據(jù)后處理方法與軟件。基于旋翼旋轉狀態(tài)動特性的試驗原理與試驗數(shù)據(jù)處理方法，提出了數(shù)據(jù)處理軟件的設計思路。結合MATLAB的設計方法，對軟件進行了編寫與調試。結果證明，數(shù)據(jù)處理軟件能夠實現(xiàn)既定功能。

關鍵詞：旋轉動特性試驗；MATLAB GUI設計；試驗數(shù)據(jù)處理

Abstract：The data post-processing method and program of rotating rotor dynamic test contents on whirl tower are introduced.Based on the test principle and data processing method，the data processing program design is proposed.The procedure is compiled and debugged using MATLAB GUI design method.Results show that the data processing program can realize the required function.

Keywords：the rotating rotor dynamic test；MATLAB GUI design；The processing of experimental data

中圖分類號：V211.52 文獻標志碼：A

0 引言

直升機旋翼的動特性是指旋翼在不同轉速及不同整體運動模態(tài)下的揮舞、擺振、扭轉固有振頻和振型。動特性試驗目的在于測量旋翼在各種轉速和總距組合狀態(tài)下的模態(tài)頻率和振型。

旋轉動特性試驗采用液壓激振作動筒激振自動傾斜器不動環(huán)，作動筒激勵采取階梯式正弦周期激勵，槳葉應變和相關傳感器信號為穩(wěn)態(tài)正弦響應。對采集得到的集合型和周期型槳葉應變信號和相關傳感器信號進行激勵周期數(shù)整周期平均，并對結果進行傅立葉一階諧波分析，得出幅頻響應曲線和相頻響應曲線。

在試驗數(shù)據(jù)后處理中，得出幅頻響應曲線和相頻響應曲線僅是第一步。從包括眾多槳葉應變、阻尼器位移和力、小拉桿載荷、旋翼軸扭矩和作動筒位移等信息的幅頻響應曲線和相頻響應曲線中得出揮舞、擺振和扭轉等固有頻率和振型，還需進行試驗數(shù)據(jù)后處理。

試驗得到的數(shù)據(jù)，往往在幾十兆以上，數(shù)據(jù)量非常大。由于數(shù)據(jù)后處理原理復雜，此項工作原來一直由人工進行。這就造成進行此項工作將耗費人員很大的精力與時間。在數(shù)據(jù)后處理中很大一部分的工作是對需用數(shù)據(jù)的選取與各個剖面的各種可能峰值點進行比對，此兩部分由人工進行時，需頻繁地進行界面間的切換與數(shù)值對比，工作煩瑣而重復。如果有軟件對需用數(shù)據(jù)進行自動化選取，將可能峰值點在一個界面中顯示，將極大地減少人工的工作量。

1 旋轉動特性試驗數(shù)據(jù)后處理原理

動特性試驗數(shù)據(jù)處理是將眾多的數(shù)據(jù)處理方法綜合在一起，進行比證和綜合分析，從而得到準確可靠權威的試驗結果的方法。數(shù)據(jù)的后處理，要在保證試驗采集數(shù)據(jù)不失真的前提下進行。

原試驗數(shù)據(jù)后處理步驟如下：在某一試驗狀態(tài)數(shù)據(jù)中，首先根據(jù)試驗幅頻響應和相頻響應數(shù)據(jù)進行同類別整理，采用Excel宏處理，畫出各個槳葉剖面和相關信號的幅頻響應和相頻響應曲線。然后記錄該狀態(tài)下的每個剖面所有可能的峰值點，合并相同頻率下的不同剖面的峰值點。再根據(jù)合并后的峰值點，查詢并記錄幅頻響應和相頻響應數(shù)據(jù)，畫出振型和相位關系，進行判斷此峰值點是否符合原理要求。根據(jù)臺體干擾頻率、氣動力諧波項，采用排除法、耦合效應法排除一部分頻率。所有的試驗狀態(tài)都需要重復相似的過程。最后根據(jù)不同轉速情況，得出固有頻率和轉速的趨勢，根據(jù)趨勢分析法確定準確可靠權威的試驗結果。

處理過程中，由于需反復比對同狀態(tài)下不同剖面的幅頻曲線和相頻曲線，并人工進行記錄，比對與合并過程中的數(shù)據(jù)。選取過程的工作中絕大部分工作由人工完成，耗時耗力。原試驗數(shù)據(jù)后處理流程圖如圖1所示。

為了提高工作效率、降低工作強度、減少人為出錯、增強數(shù)據(jù)管理，以MATLAB軟件為開發(fā)環(huán)境，利用圖形化編程接口（GUI）開發(fā)工具箱開發(fā)了旋轉旋翼動特性試驗數(shù)據(jù)處理軟件。要求該軟件能對采集數(shù)據(jù)中需觀測的量進行讀取，圖形化顯示，并選取峰值點。利用極坐標顯示該峰值頻率點的相位，觀測其是否符合共線性，從而輔助判斷該頻率點是否為所需的峰值點。此舉未對試驗數(shù)據(jù)造成修改，極大地保證了試驗數(shù)據(jù)的不失真；利用圖形化顯示，并在圖形上進行峰值點的選取與識別，直接而有效地提高工作效率，節(jié)省時間。

2 試驗數(shù)據(jù)處理軟件設計思路

動特性試驗后產生的數(shù)據(jù)主要有兩種文件形式：記錄試驗采集數(shù)據(jù)的txt文件，記錄配置表與頻率點的txt文件。前者由試驗采集而來，后者為按照需觀測的要求進行編寫（人工和軟件編寫均可）。配置表文件，記錄要觀測的剖面幅值與相位信息。頻率點文件，記錄要觀測的頻率點。

試驗數(shù)據(jù)后處理軟件要求能夠根據(jù)使用者的意愿，對觀測數(shù)據(jù)進行調整，便于實際操作。能夠實現(xiàn)對揮舞、擺振和扭轉的數(shù)據(jù)分別或是集中進行處理。能夠選擇對一個或是多個剖面下，指定頻率點的試驗采集的應變量進行觀測。能夠在圖形坐標界面下，通過鼠標或是按鍵的命令實現(xiàn)一個剖面下的數(shù)據(jù)選取，并讀取與顯示相應頻率點在其他剖面的坐標與坐標值，實現(xiàn)對各個界面的峰值點的選取與識別。圖2選取峰值點時，根據(jù)相位共線性等特性，來確定此峰值點是否是要尋找的頻率點。軟件中，需要人工進行的部分有編寫頻率點文件與圖形化選點。軟件設計流程圖如圖2所示。

試驗數(shù)據(jù)處理軟件的設計思路分為3步：

（1）讀取試驗文件，取得觀測數(shù)據(jù)。讀取配置表文件，試驗數(shù)據(jù)文件和頻率點文件。對讀取文件的硬盤位置進行存儲，讀取各個剖面幅值與相位值在試驗數(shù)據(jù)文件中的具體位置。將選取的頻率點和選取的變量（幅值名或相位名），在各個剖面下的試驗數(shù)據(jù)依次寫入新的文件內。對此文件進行存儲，便于軟件的檢測與后續(xù)數(shù)據(jù)核對。

（2）讀取測試數(shù)據(jù)。讀取上一步形成的文件內的幅值名與相位名下的數(shù)值，分別存入變量中。

（3）將各個剖面的幅值與相位進行圖形化顯示。其中，幅值利用直角坐標系顯示，相位利用極坐標顯示。利用鼠標或鍵盤來實現(xiàn)坐標上的峰值點的選取與界面的更新。

數(shù)據(jù)處理的思路要求明確，軟件編寫要有一定的可讀性和可更改性，方便后續(xù)的軟件改進與開發(fā)。軟件的輸入文件要與實際試驗的輸出文件格式相匹配，盡量地減少不必要的工作量；軟件的輸出文件，即數(shù)據(jù)處理后的文件的數(shù)據(jù)存儲應方便他人閱讀與理解為目的。

3 軟件運行

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)軟件的設計思路，結合MATLAB GUI設計方法，編寫開發(fā)軟件，以某旋轉旋翼動特性試驗的擺振面試驗數(shù)據(jù)為例。軟件運行后，圖形界面顯示如圖3所示。

圖3中，左邊的6個直角坐標系顯示為幅值剖面的變量值，右下角的一個極坐標顯示為相位剖面的變量值。在圖形界面中，選取某個剖面上的某個頻率點，該坐標系中的該點變?yōu)榧t色，同時顯示界面坐標（圖中“（3.55，0.0058）”）和備注坐標（圖中“x和y的坐標值：x=3.55 y=0.0058”）。其他直角坐標系中，相對應頻率點的幅值量自動變?yōu)榧t色，顯示對應的界面坐標。極坐標圖中，顯示6個剖面中該頻率點的相位值。在圖形界面中，也可選擇多個頻率點進行觀測，軟件剖面如圖4所示。圖3與圖4中，備注坐標所在的坐標系，即為操作時選取點的坐標系。圖中可看出，界面坐標的顯示效果可根據(jù)客戶的要求進行更改（左側上下兩圖）。在操作時，在坐標系內，單擊鼠標左鍵即可實現(xiàn)對于坐標點的選取；雙擊鼠標左鍵可實現(xiàn)整個界面的清理，進行坐標的重新選取；單擊鼠標中鍵能夠實現(xiàn)對本次操作的放棄，恢復至上次操作時的界面。

結語

旋翼旋轉動特性試驗是一項技術難度高、風險大的綜合試驗。對其試驗數(shù)據(jù)的后處理，能夠簡化試驗處理過程，提高工作效率。在型號試驗中，已驗證本軟件能夠節(jié)省大量的時間與人力。形成的處理文件，可為試驗原始數(shù)據(jù)核實，也為后續(xù)處理提供依據(jù)與指導。本文中的軟件設計，能夠實現(xiàn)預計的功能，但仍有需改進的方面。如，對應點的振型顯示，幅頻曲線與相頻曲線的分界面顯示等。在日后的工作與學習中，以本軟件為基礎，征求使用意見，進行下一步的更新與優(yōu)化，以便更好地應用于旋轉旋翼動特性試驗數(shù)據(jù)后處理。

參考文獻

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