飞行器振动特性及环境标准的估计

朱 虹

辽宁装备制造职业技术学院（沈阳 110161）

由于飞行器结构复杂、零件部件繁多、工作环境多变等复杂的力学环境，使得飞行器飞行过程中的振动和冲击问题十分突出。其激振源主要有飞行器发动机振动、大气层飞行过程中气流畸变等。由于激振力是各式各样的，它们的大小不同，频率相异，再加以飞行器中某些结构的非线性，使得飞行器的振动频带很宽、形式复杂。因此科学合理地对飞行器数据进行处理，并在此基础上运用概率和统计的方法进行归纳，评估其可靠性，制定相应的试验和鉴定标准，对航空事业的发展意义重大。

1 理论和方法

1.1 数据的获取和预处理

在飞行器上选定相应的测点，利用各种传感器将机械振动量值转换成对应的电压或电流信号，再利用AD转换器转换成数字信号，然后对这个数字信号进行分段选取。在处理的开始阶段还需对信号进行预处理，以确定信号的变化趋势，去除信号中的奇异点和噪声等。

1.2 谱分析方法

随机振动由于它本身的不确定性，只能够用统计方法来研究。在频域上进行各种频谱分析、传递函数分析和相干函数分析。本文在处理飞行器振动和冲击信号时运用了冲击谱和功率谱分析。

(1)冲击谱

冲击响应谱系指一系列单自由度质量弹簧阻尼系统，当其公共基础受到所测瞬态信号激励时，每个单自由度系统产生的响应峰值作为该单自由度系统固有频率的函数绘出的图。

冲击响应谱有很多测量方法。①直接用机械和电的方法来模拟单自由度系统的物理模型，给模型以冲击输入求响应。②直接求解单自由度二阶微分方程，这可在模拟或计算机上完成。本文主要采用改进的数字滤波法计算冲击响应谱。该法是1981年由Smallwood提出来的，他用斜台不变数字滤波模型代替脉冲不变模型，即用广义的斜台函数代替脉冲不变模型的(t) = (t)。

设输入信号(t)的采样值为Ui，单自由度系统响应x(t)的采样为xi（i=1,2,3,……，N），则有如下的斜台不变模型的递归公式：

(2)功率谱

对于平稳随机数据，计算功率谱的函数的常用方法有两种，其一是对自相关函数作傅立叶变换，通常称为 BT法。其二是对原始数据通过FFT变换，通常称为周期法。在本文中采用周期图法。

在时域进行矩形截断后进行傅立叶变换，必然引起谱窗的褶积，并带来两个后果：其一是谱窗的带宽不能够无限小，造成频域的分辨率有限；其二是由于谱窗通常是由一个近似三角形的主瓣和向两侧衰减延伸的若干旁瓣组成的，这样褶积后会使计算上的“功率”通过旁瓣“泄漏”到该频率两侧的其它频率上去，同时，其它频率上的“功率”也会通过旁瓣“泄进”到该频率上来，这种“泄漏”和“泄进”就会造成原谱的失真。为了减小“泄漏”和“泄进”造成的误差，可以采用其它形式的截断方法，即采用不同的谱窗。常用的截断窗有矩形窗、海宁窗、汉明窗等。文中采用矩形窗。

(3)数据统计估计

根据以上结论可以得到正态单边上限。

2 计算实例

利用上述方法，对某型飞行器在某个时段的振动信号进行处理，结果如图1和图2所示。

图 1 功率谱

图2 冲击谱

从图1和图2可以得到信号主要集中在250 Hz，系统的损伤在 1000 Hz时最敏感。对冲击谱进行99/90单边上限估计如图3所示。

图 3 单边上限估计

对单边上限估计进行直线包络，可以得到振动环境包络线，如图4所示。此包络线可以作为今后我们进行设计的振动环境标准。3 结论

图4 直线包络

通过本文的理论研究分析方法，可以在以下几个方面产生积极的作用。

(1)从单个测点测量信号分析，判断各路传感器是否均明显的记录了飞行器的各个动作，通过统计分析测量数据是否具有可靠性。

(2)在结构分析的基础上,根据结构和响应频率的变化，确定结构特性以及环境载荷。为设计飞行环境试验条件提供可靠的数理统计依据。

[1]任名章.机械振动冲击与响应谱分析方法.北京:机械工业出版社, 2011.

[2]曹源,汪凤泉,童丽萍.冲击响应谱匹配的改进多目标遗传算法研究.应用科学学报, 2007.3（3）.

[3]应怀樵.现代振动与噪音技术.北京:航空工业出版社,2008.

[4]余训锋,马大玮,魏琳.改进周期图法功率谱估计中的窗函数仿真分析.计算机仿真,2008.(3).