基于B样条加权三重叠加的随机振动信号生成技术研究.pdf
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1、2023 年 8 月 强 度 与 环 境 Aug.2023 第50卷第4期 STRUCTURE&ENVIRONMENT ENGINEERING Vol.50 No.4 收稿日期:2023-03-11;修回日期:2023-05-27 作者简介:何志勇(1978-),男,硕士,高工,(710100)西安市长安区飞天路 289 号.基于 B 样条加权三重叠加的随机振动信号生成技术研究 何志勇 王婷 庞勇 王珺 李斌潮(西安航天动力研究所,陕西 西安 710100)摘要:随机振动试验是评估工程结构在高斯振动载荷力学环境下的安全性和可靠性的一种模拟试验,而随机振动控制功率谱密度生成时域高斯随机振动驱动信
2、号是随机振动试验关键技术之一,常用的生成高斯驱动信号方法主要是伪随机法、正弦窗叠加法等。本文提出了基于B样条加权三重叠加的随机振动信号生成方法,并与常用正弦窗叠加法进行了对比,结果表明:基于B样条加权三重叠加的随机振动信号生成方法提高振动模拟试验的真实性和控制幅值动态范围精度,而这两种方法生成时域随机信号的偏斜度、峭度值相当,都满足高斯分布性能要求,验证了该新方法的正确性和有效性。关键词:B 样条加权;三重叠加;相位配方;正弦窗叠加法;高斯驱动信号 中图分类号:TB33 文献标识码:A 文章编号:1006-3919(2023)04-0059-06 DOI:10.19447/ki.11-1773
3、/v.2023.04.010 The Research on Random Vibration Signal Generation Based on B-Spline Weighted Triple Overlap HE Zhiyong WANG Ting PANG Yong WANG Jun LI Binchao (Xian Aerospace Propulsion Institute,Xian 710100,China)Abstract:the random vibration test is a kind of simulation test to evaluate the safety
4、 and reliability of engineering structures under Gaussian vibration load,and it is one of the key technologies of random vibration test that the random vibration control power density spectrum generates the time-domain Gaussian random vibration drive signal.The commonly used methods for generating G
5、aussian driving signals are pseudo-random method and sine window superposition method etc.In this paper,a random vibration signal generation method based on weighted triple superposition of B-spline is proposed,and the theoretical analysis and data simulation are carried out with the common Sine win
6、dow superposition method.The results show that the random vibration signal generation method based on B-spline weighted triple overlap improves the authenticity of vibration simulation test and the accuracy of dynamic range of control amplitude,The skewness and kurtosis of the time-domain random sig
7、nals generated by the two methods are equivalent,and both meet the performance requirements of Gaussian distribution.The correctness and effectiveness of the new method are verified.Key words:B-spline weighting;triple stack;phase formula;sine window superposition;Gaussian drive signal 0 引言 在航天、航空、机械
8、等领域中,工程中结构经常经受诸如内部动力、风和海等环境载荷引起的随机振动,这些随机振动信号近似服从高斯分布1-2。评估工程结构在这种高斯随机振动下的安全性和可靠性要进行力学环境模拟试验,而随机振动试验是目前最常用的一种力学环境模拟试验3,并被广泛的应用在各种不同领域的工程结构中。因此随机振动试验在评估工程结构的可靠性和安全方面扮演着重要的角色4-5,可以暴露工程结构的设计及制造缺陷、发现潜在的材料和工艺缺点。近年来在本国随机振动试验多采用电动振动台实施,并广泛60 强 度 与 环 境 2023 年 采用数字式随机振动控制系统,随机振动试验控制要求驱动功率谱密度产生连续的、各态历经的驱动信号,而
9、产生驱动信号算法是随机振动试验控制关键技术之一。振动控制系统进行iFFT变换以后就可以得到满足驱动功率密度谱要求的单帖时域信号,但是无法保证所获得的连续两帖信号的光滑过渡。单帖信号之间的光滑连接的常用方法主要是伪随机法、正弦窗叠加法等,伪随机法是固定相位值对驱动功率密度谱iFFT变换获得单帖信号,单帖信号直接连接得到驱动信号;正弦窗叠加法6是随机变化相位值对驱动功率密度谱iFFT变换获得单帖信号,单帖信号乘以正弦窗系数、信号时长50%重叠相加得到驱动信号。伪随机法产生随机振动驱动信号的幅值精度高,而信号的频率成份不丰富;正弦窗叠加法产生随机振动驱动信号频率成份丰富,而信号幅值精度一般。随着科技
10、的发展,尤其是航天、航空、机械工业的发展,对随机振动试验要求越来越高,如要求更高的控制幅值动态范围、频谱控制精度以及丰富频率成份。因此解决常用的方法所带来的缺陷成为当前亟待解决的一个问题,本文提出一种新的基于B样条加权三重叠加的随机振动信号生成方法,此方法产生随机振动驱动信号有更高幅值精度以及更丰富频率份量,提高随机振动试验控制精度,更逼近真实的环境振动信号。1 基于 B 样条加权三重叠加法 1.1 算法原理 基于B样条加权三重叠加法是把驱动功率密度谱变换到驱动幅值频谱,控制信号采样频率确定驱动幅值频谱的频率范围,根据频率范围对驱动幅值频谱补零,根据相位配方算法获得相位值,对幅值和相位进行 i
11、FFT 变换获得单帧信号,对多条单帧信号采用基于B样条加权三重叠加法获得振动控制驱动信号,算法流程如图 1 所示。图 1 算法流程 Fig.1 Calculation Process第50卷第4期 何志勇等 基于B样条加权三重叠加的随机振动信号生成技术研究 61 控制功率密度谱7为)(fG,频率范围为1f,2f,谱线为N,采样频率为sf,功率密度谱变换到幅值频谱1公式如下:1 2(0 1 21)sG(f)X ffNff,Nf=+(1)根据采样频率值确定驱动幅值频谱范围0,2/sf,驱动幅值频谱补零计算如下 0=fX )()(21ffff+=1),()()3(mod()3(21)(1),()(1
12、11innNNceilNfixnninniizzzi (4)当SN为3倍数时,二次B样条加权系数计算公式为 7,6,5,4,3,2,1,3)1()(=kNmBmSk(5)当SN不为3倍数,二次B样条加权系数见图2所示,k除以3的余数为0、2时,第k个单帧信号的二次B样条第一个加权系数不为零,此加权系数公式如(5)。通过式(3)、(4)计算出相位值,再对驱动幅值频谱进行逆傅里叶变换iFFT变换,获得一些单帧信号。基于B样条加权三重叠加法是对每个单帧信号乘以二次B样条加权系数,然后把这些单帧信号按顺序排列,最后对前单帧信号后2/3的信号与后单帧信号前2/3的信号进行叠合相加,叠合相加过程如图3所示
13、。=+=+=9,6,3,3)1(33)3*2mod(1)(8,5,2,3)1(33)3mod(1)(7,4,1,3)1()(kNmNNBmkNmNNBmkNmBmSSSkSSSkSk (6)图 2 二次 B 样条加权系数 Fig.2 Coefficient of quadratic B-spline weighting 62 强 度 与 环 境 2023 年 图 3 信号 2/3 叠合相加过程 Fig.3 Process of two-thirds signal superposition and addition1.2 高斯分布信号判断 高斯分布信号的偏斜度 S 和峭度 K10-12都恒等于
14、零。其中偏斜度 S 和峭度 K 借助振动控制驱动信号 X 的各阶中心矩定义为()()()()()3322E XE XSE XE X=(7)()()()()()4223E XE XKE XE X=(8)下面通过算例推导来分析基于B样条加权三重叠加法与常用正弦窗叠加法生成驱动信号峭度值、峭度差异,进而判断基于 B 样条加权三重叠加法是否符合生成高斯振动驱动信号计算方法。1.3 与正弦窗叠加法比较 随机振动试验时的常用生成振动控制驱动信号的方法是正弦窗叠加法,本文将对基于 B 样条加权三重叠加法与常用正弦窗叠加法生成驱动信号比较,判断基于 B 样条加权三重叠加法生成驱动信号是否提高振动模拟试验的真实
15、性和控制幅值动态范围精度。在实际振动试验控制中,控制幅值频谱与振动台控制点的反传递函数13,14相乘获得驱动谱,再生成高斯振动驱动信号;因为振动台控制点的反传递函数对生成振动驱动信号的计算方法无影响,本文在生成振动驱动信号中不考虑振动台控制点的反传递函数因素(振动台控制点的反传递函数值设为 1)。常用振动参考功率谱密度见表 1,表 1 中的最大频率为 2000Hz,采样频率sf可设为最大频率的 2.56 倍,采样分辨率f一般设为 1Hz,2 倍的频谱的谱线数量设为同余法的模数m,按图 1算法流程计算。根据参考功率谱用于基于 B 样条加权三重叠加法计算获得的随机振动信号见图4,随机振动信号功率谱
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- 基于 加权 三重 叠加 随机 振动 信号 生成 技术研究
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