基于Origin软件的飞行振动数据处理方法研究

易坚，韩晋平，卢建寅，李善勋

（中航工业洪都，江西南昌，330024）

基于Origin软件的飞行振动数据处理方法研究

易坚，韩晋平，卢建寅，李善勋

（中航工业洪都，江西南昌，330024）

数据处理是试飞测试过程中最后也是最重要的一个环节。任何方式的测量，其结果都必须经过数据处理后才能提供给用户使用。本文介绍了采用Origin数据处理软件处理试飞振动数据的方法及过程，并用该软件处理了某型飞机平尾振动数据，同时，还对处理结果进行了评定与分析。

数据处理；Origin软件；振动；频谱分析

0 引言

试飞测试是飞机设计过程中的一个重要环节，通过试飞测试，可以很好地评价飞机特性和验证设计要求。由于飞行试验过程中各种因素的影响，测试结果不可避免地会包含大量的误差。实践证明，这些误差的存在可能会影响数据进一步的处理精度，降低试验结果的可靠性。所以，对飞行试验的测试数据进行滤波处理，可减少噪声和误差的影响，在Origin软件中充分应用了对数据的平滑及滤波处理、快速傅立叶变换等技术。本文根据某型飞机振动测试的要求，结合国外成功的研究经验，对飞行振动数据处理方法进行了探讨性研究，还根据新的方法用Origin软件处理了平尾振动试验数据，并对处理结果进行了评定及分析。

1 Origin软件简介及振动数据处理方法

1.1 Origin软件简介

Origin软件是MicroCal Inc.总公司（世界一流的高灵敏热量计设计公司）于1991年3月首次推出的基于Windows平台下用于数据分析、工程绘图的软件，已在图表和数据分析软件业建立了坚实的基础。Origin软件在科技绘图和数据处理方面，完全能满足科技工作者的科技绘图和数据处理的需求。Origin软件在使用上，操作简便，采用直观的、图形化的、面向对象的窗口菜单和工具栏操作，容易上手，因此，成为科技工作者的首选科技绘图及数据处理软件，在同类软件中具有较高的市场占有率。Origin专业级的图表处理功能、强大的试验数据分析功能及尽善尽美的图形展示功能使其在公司、大学及研究机构得到了广泛的应用。

1.2 Origin软件处理振动数据的方法及过程

飞机的振动是一种随机振动，其物理变化过程虽不能用确定数学形式描述，但却能用统计分析方法来描述。目前，在飞机振动飞行试验中，一般采用加速度测量法来确定飞机振动边界，即在飞机翼尖、座椅（法向与侧向）、重心（法向）、副翼、垂尾（侧向），平尾翼尖（法向）部位装置加速度计，测出加速度随迎角、速度、马赫数及过载变化的时间历程曲线，曲线开始发散点即表示振动开始发生，从而可定出振动迎角、速度、马赫数及振动强度。用Origin软件处理飞机振动飞行试验数据的方法是：根据飞行试验各测量点的加速度-时间历程数据在Origin工作表窗口中绘出加速度-时间历程曲线图，然后根据飞机迎角、飞行高度、速度、马赫数及过载随时间变化的曲线图确定出各测量点振动加速度曲线开始发散及达到最大值时飞机的状态参数，再根据飞机振动达到最大值时的加速度-时间历程曲线，用Origin软件的曲线处理功能对曲线作滤波，平滑处理，消除外界干扰造成的高频成份，得到能真实反映机体结构振动情况的加速度-时间历程曲线。对曲线作快速傅立叶变换（FFT）得到测量点的振动幅度及相位频谱图，依据该图可以确定各测量点处结构的振动强度及振动频率。根据以上信息可以对飞机结构振动机理作进一步的理论分析，指导飞机的减振、排振工作。

Origin软件处理振动数据的过程如图1所示。

图1 Origin软件处理振动数据过程

2 飞行振动原始数据处理

2.1 飞机振动数据处理的主要任务

1）将振动原始数据转换为物理量：被测物理量经过传感器、信号调节器、多路传输系统后，输出的仅仅是一种以某种形式表现的电信号，这种形式的原始数据对使用者来说，既不直观又没有明确的物理意义，因而不能使用。所以，数据处理的首要任务就时将振动原始数据转换为物理量，也就时对参数数据进行校准计算，以工程单位表示。

2）对振动数据本身进行某些变换加工：这是振动数据处理最主要的任务。如求均值或傅立叶变换；对有关联的数据进行某些相互运算，如通过直接测出的几个参数来计算间接参数；还可以进行各种更复杂的运算。例如，测量飞机结构在飞行中的振动情况，需要的是振动的频率分布，但直接测量只能得到时间域内的振动波形，所以必须对振动波形进行傅立叶变换，这样才能得到该振动波形的频谱。

3）数据压缩：为缩减数据的频带宽度，减少数据的传输量和存储量以及为压缩数据的存贮减少信息冗余度所采取的一系列处理技术。

2.2 飞行振动数据处理的主要方法

振动数据的处理方法主要有实时处理和事后处理。

1）实时处理，就是在飞行试验的同时对测试数据进行某些处理。由于处理的时间是受限制的，一般只做一些简单的和最基本的处理和显示。

2）事后处理，由于处理的时间不受限制，因而可以做一些较复杂的和最终的处理。

目前，在飞行试验中通常采用遥测实时数据处理，即在飞行试验中，地面站将接受到的遥测信息直接送入专用的计算机进行数据处理，并实时给出中间或某些最终结果的过程。其优点是：

1）实时数据处理的结果能及时提供给研究人员进行现场监控，保证试飞科目的准确进行和飞行试验的安全。这对风险科目的试飞（如飞机颤振、失速、尾旋等）是十分必要的。

2）由于研究人员能在试飞中进行实时监控，提高了飞行试验的灵活性，缩短了试飞周期。

飞行试验地面振动数据处理系统如图2所示。

2.3 飞行振动数据处理结果分析及评定

通过对飞行振动数据的预处理和最终处理，可以得到飞机结构各测量点的加速度—时间历程、结构的振动频谱图及飞机结构振动过程中飞机的各状态参数。从各测量点的加速度—时间历程曲线可以得到结构振动周期、振动开始、达到最大及趋于平稳时的时间和对应的振动量值；从振动频谱图可以进一步了解到周期振动中包含哪些频率成份和各种频率分量的大小；从飞机的各状态参数—时间历程曲线可以得到准确的飞机结构振动过程中，振动变化时刻所对应的飞机状态参数。

图2 飞行试验地面振动数据处理系统示意

对飞行振动数据处理结果的分析主要是通过数据处理结果掌握振动的性质和特征，确定结构振动的类型，找出结构产生振动的振源，并将试验结果与理论分析结果相对比，以此来评定数据处理的好坏。通过对飞机各部件振动情况的分析，还可以对其进行相关性分析，确定振源对各部件的影响情况，便于对振动情况超出许可值的部件进行减振、排振工作。

3 某飞机平尾振动数据处理及分析

振动原始数据取自某型飞机为解决机体结构振动而进行的振动实测飞行，为了提高数据处理的效率，在实际的数据处理过程中选取了振动加速度变化比较明显的一段数据作为分析对象。该段数据是飞机在近3000m的高度，速度从250km/h水平加速到772km/h后再减速时飞机平尾翼尖和前缘的振动实测数据。

从图3、图4可以看出，在400km/h之前平尾前缘和翼尖的振动值基本相同，从400km/h增加到480km/h的过程中，平尾前缘和翼尖的振动量随速度的增加线性增加，并在480km/h的时候达到最大值，约为±10g；速度从520km/h增加到600km/h的过程中，平尾前缘和翼尖的振动也随速度的变化而迅速增大，并在速度达到600km/h时，振动量达到最大值，此时平尾前缘的振动值约为±15g，平尾翼尖的振动值约为±25g；速度从600km/h增加到772km/h的过程中，平尾前缘和平尾翼尖的振动量值都基本保持不变，平尾前缘的振动量值比平尾翼尖的要小，平尾前缘的振动量值基本在±15g，而平尾翼尖的振动量值基本在±18g；当飞机速度从772km/h迅速减小时，平尾前缘和翼尖的振动也迅速减小。

图3 高度、速度随时间变化曲线

图4 平尾前缘与翼尖的振动情况

从图中可以明显看出，平尾前缘和翼尖的振动基本上是随着速度的增加而线性增加的，当速度达到600km/h的时候，有一个不稳定的扰流作用在飞机的平尾上，正是由于扰流的作用引起了平尾的振动，因而引起了飞机机体的振动。通过对比发现，左、右平尾前缘和翼尖的振动响应值与时间的对应关系几乎完全相同，说明外界扰流引起的飞机左、右平尾的响应是一样的，引起飞机平尾振动的振源可能只有一个，而且极有可能是在飞机后机身上。

基于以上的振动规律和初步分析，对平尾前缘和翼尖在外界激励下的振动响应作振动频谱分析，取飞机速度在600km/h时的一段数据作为研究对象，此时平尾前缘和翼尖的振动如图5所示，平尾翼尖和平尾前缘的振动频谱图如图6、图7所示。

图5 V=600km/h时平尾前缘和翼尖的振动情况

图6 V=600km/h时平尾翼尖振动频谱

图7 V=600km/h时平尾前缘振动频谱

4 结语

1）从V=600km/h起，飞机的左右平尾都以同一个固定的频率振动，而且都是单频的，说明此时有一个接近于飞机某阶固有频率的外界激励作用在飞机结构上，这个外界激励很可能是由于气流分离形成气流涡引起的；

2）从图4可以看出，平尾前缘的振动与平尾翼尖的振动存在相位差；

3）可以看出，平尾前缘与翼尖在外界扰流作用下振动频率虽然相同，但有很明显的“拍”振现象，所谓的“拍”振现象就是当激励的驱动频率接近系统的某阶固有频率时，系统产生的一种周期为2π/ω，而幅值可变且是正弦函数形式的振动响应。

4）平尾的振动频率在63Hz左右，这与平尾二弯的频率很接近，说明当飞机速度达到600km/h时，可能外界激励的频率激起了平尾二弯的固有频率，因而使平尾产生了“拍”振现象。

[1]周剑平.Origin实用教程.西安：西安交通大学出版社，2007.

[2]张阿舟，诸德超，姚起杭，等.实用振动工程[M].第二卷.北京：航空工业出版社，1997.

[3]张阿舟，姚起杭.振动制造工程[M].北京：航空工业出版社，1989.社，1989.

>>>作者简介

易坚，男，1988年2月出生，2010年毕业于西北工业大学，工程师，现从事飞机结构设计工作。

Study on Method of Flight Vibration Data Processing Based on Origin Software

Yi Jian,Han Jinping,Lu Jianyin,Li Shanxun
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

Data processing is the last and very important step in flight test.In any test,the test results cannot be provided to customers until data is processed.The paper introduces the method and process of flight vibration data processing using Origin data processing software,and the software is used to process the vibration data of horizontal tail,meanwhile,the processed result is evaluated and analyzed.

data processing,Origin software,vibration,frequency spectrum analysis

2015-12-28）