CN106446809A - 基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法，包括如下步骤：(1)对航空发动机载荷谱的原始谱进行雨流滤波，得到雨流滤波谱；(2)基于雨流滤波谱，添加若干原始载荷谱的点，最终得到基于雨流法的滤波谱。该方法能反映出载荷的加卸载路径信息，即在删除小循环的基础上，保证滤波谱与原始谱循环的峰谷值相同，同时尽可能保留原始谱的路径。并且能更有效地剔除奇异点，对信号进行阈值滤波消除信号中的噪声提高信号处理效率。为航空发动机载荷谱的编制过程中飞行参数的预处理、野点剔除等方面的研究提供了一种新的方法。

Description

基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法

技术领域

本发明属于航空发动机载荷谱领域，尤其涉及基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法。

背景技术

发动机载荷谱，是为进行发动机及其零部件的寿命、可靠性和强度分析以及试验考核而编制的有关载荷要素的组合，是发动机在规定的飞行任务、用法和使用条件下载荷参数的统计结果。发动机使用载荷谱是供现役发动机使用的载荷谱，又称实测谱，是由飞行载荷实测和飞行任务调查得到的，可直接应用于发动机的定寿和延寿。飞行参数记录了飞机各系统的工作情况以及飞行状态的各种信息，反映了飞行员对飞机的操作、使用情况，可以用于飞机的日常维护、飞行训练和事故分析。在进行单机寿命监控，疲劳载荷谱的编制、飞机的定延寿等工作中飞参数据都在发挥着日益重要的作用。

日前我国已经对多种发动机飞行任务剖面进行了比较全面的空测和统计，获得了大量有用的使用信息。如何利用这些飞行任务剖面编制合理的载荷谱，为发动机的应力分析和寿命设计提供依据就成为十分突出的问题。

航空发动机载荷谱的编制是在飞行参数数据采集基础上实现的,而飞行参数数据采集系统故障或实测过程中的电器干扰等因素都可能使信号产生瞬时波动,形成脉冲信号而造成飞行参数数据有较大的失真。这些失真的数据称为野点。野点会使本身具有较大惯性的输入信号产生很大的波动,造成输入信号的失真。所以绘制载荷谱必须先剔除野点,以提高数据处理分析和寿命估算的准确性。

载荷谱中测试得到的载荷信号中存在着干扰信号、噪声信号、奇异信号等,它们都影响载荷谱的时域和频域特性,从而影响疲劳损伤的计算精度。因此在信号处理过程中需要综合采用滤波、剔除奇异点等技术手段,消除或者衰减噪声和奇异信号等因素的干扰,提高载荷信号系统的信噪比,将蕴藏在信号中的有用信息识别并提取出来,为后续编制载荷谱和载荷性质分析做好基础工作。

常用的滤波器的滤波方式有低通、高通、带通和带滤四种,需要结合实际信号进行处理。吉林大学的梁云龙采用低通巴特沃斯的滤波方法，然后进行奇异值的剔除，剔除后的载荷大小与测试信号的载荷时间历程内的大载荷数据相比变化很大。宋勤等人在道路模拟试验载荷谱的预处理中采用的是傅里叶低通滤波。王利敏等人用小波网络的非线性逼进进行数字滤波,对航空发动机高压转子转速的实测飞行参数进行滤波处理，滤波后,剔除野点128个,约占总数的7％,波形完好,达到了滤波的目的。

目前大部分的动载荷识别方法基本上是针对中、高频动载荷的，却很难准确的识别出低频范围的动载荷(<50Hz)，而低频载荷在航空航天工程结构设计中具有至关重要的作用，航空发动机载荷谱的采样频率主要集中在1HZ左右,属于典型的低频信号。因此，发展一种能够准确识别低频载荷的方法是非常必要的。

把一个随机过程的载荷-时间历程简化成一系列的全循环或半循环，从而得到相应载荷幅值和载荷循环次数的过程称为计数法。计数法的种类很多，如峰值计数、量程计数、穿级计数和雨流计数等。常用的计数法可分为两大类：单参数计数法和双参数计数法。单参数计数法只考虑载荷循环中的一个变量，直观简单，但不够严密和精确，既得不到载荷的频率变化信息，也没有载荷发生次序的信息，不能描绘载荷循环特性，因而只是对随机载荷的近似描述。双参数计数法可以记录载荷循环中的两个参量，能记录载荷循环的全部信息，是一种较好的计数方法。建立二维载荷谱需要得到均值与幅值的全部信息，只有采用双参数计数法才能满足要求，双参数计数法有雨流法、程对法、程均-对法等。由于雨流法在计数原理上与实际工作载荷对金属零件的循环应力-应变较相似，有坚实的力学基础，具有较高的正确性，计数方法便于用计算机完成，也易于实现自动化与程序化，因而得到广泛的应用，近年来被认为是最有效的计数方法。

一般的滤波法以去除信号中的噪音为目的，而航空发动机载荷谱与使用密切相关，其滤波方法不同于一般的信号滤波法。例如高通滤波不能完整的保留载荷谱的主循环及次循环，而主循环和次循环及载荷时间次序对疲劳寿命的预测都有很大影响，由经验公式得出主循环降低10％，疲劳寿命增大为原来的1.5倍。因此需要发展一种新的滤波方法，保留载荷谱的主循环及次循环，而且保证载荷谱的时间序列不发生变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法，以解决现有的滤波技术不能完整的保留对疲劳寿命预测影响较大的载荷谱的主循环，次循环及载荷时间次序等信息的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法，包括如下步骤：

(1)对航空发动机载荷谱的原始谱进行雨流滤波，得到雨流滤波谱；

(2)基于雨流滤波谱，添加若干原始载荷谱的点，最终得到基于雨流法的滤波谱。

所述步骤(1)的具体步骤为：首先依次筛选出载荷谱的峰谷值，然后通过相邻峰谷值两点之间的关系判断上升或下降量是否满足所设定门槛值来决定每一个点的去留，依次判断每个点直至最后一个点；最后判断雨流滤波谱的最后一个点的值是否与第一个点的值相同，如果不同则在雨流滤波谱的最后添加一个与原始载荷谱最后一个点的值相同的点；将这些点依次相连，即得到初始的雨流滤波谱。

所述步骤(2)的具体步骤为：读入原始载荷谱得全部序列，包含时间与对应载荷值；初始化一个输出数组，将输出数组第一个数据初始化为原载荷谱第一个点；然后读取雨流滤波谱的第二个数据，确定这个点的时间为N，在雨流滤波谱的第1至第N个点间添加原始载荷谱的点；若雨流滤波谱第二个点的载荷数值大于第一个点，则说明该段为上升边，否则为下降边，添加的点时间介于这两点之间，因此添加这些点后，这些点仍应满足原来的规律，即单调上升或是单调下降；

其中，添加原始载荷谱的点时采用的判定法的原则为：在上升边添加的点只允许上升，下降边添加的点只允许下降；以雨流滤波谱为基础，在雨流滤波谱的相邻两点间添加补充点。

所述判定法的具体步骤如下：

a、对上升边，当原始载荷谱相邻两点是不变或增加的时候，保存这些点；当原始载荷谱相邻两点下降时，下降点全部略去；

b、对下降边，当原始载荷谱相邻两点是不变或者下降的时候，保存这些点；当原始载荷谱相邻两点上升时，上升点全部略去；

c、保存的点必须满足单调增加或单调减小，否则不保留；

使用这种判断准则，依次判断全部点直至结束，完成最终的滤波。

本发明的有益效果：

本发明提出了基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法，即以雨流计数法计得的幅值为基础进行滤波。雨流计数法不仅能够保留载荷谱的主循环和次循环，而且可以保留原始载荷谱的载荷时间序列信息，因此可以将其用来进行载荷谱滤波。基于雨流法滤波后可依次得到载荷的峰谷值顺序，以及该峰谷值所对应的时间序列，以横坐标为时间序列，纵坐标为载荷峰谷值，依次连接各点可得到雨流滤波图。该发明为载荷谱编制过程中的飞行参数预处理、野点剔除等方面的研究提供了一种新方法，为后续编制载荷谱和载荷性质分析做好基础工作，提高了数据处理分析和寿命估算的准确性。

本发明的基于雨流法的航空发动机载荷谱的滤波方法，与雨流滤波有着相同的循环信息，此外还应反映出载荷的加卸载路径信息，也就是说在删除小循环的基础上，保证滤波谱与原始谱循环的峰谷值相同，同时尽可能保留原始谱的路径。既有效的保留了对疲劳寿命影响较大的幅值，又删除了对疲劳损伤影响很小的幅值，波形完好，达到了滤波的目的。通过对大量的航空发动机载荷谱滤波分析表明该方法能够有效的消除或者衰减噪声和奇异信号等因素的干扰，提高载荷信号系统的信噪比，将蕴藏在信号中的有用信息识别并提取出来，为后续编制载荷谱和载荷性质分析做好基础工作。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为实施例中的某型航空发动机转速谱；

图3为实施例中的航空发动机转速峰谷值图；

图4为实施例中的航空发动机转速谱的雨流滤波谱；

图5为实施例中的基于雨流的某航空发动机转速滤波谱；

图6为实施例中的原始谱与雨流谱的对比图；

图7为实施例中的雨流谱与最终基于雨流谱的滤波谱的对比图；

图8为实施例中的原始谱与滤波谱的对比图；

图9、图10、图11分别为实施例中的原始谱与滤波谱局部对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明所述的航空发动机载荷谱滤波法是基于雨流循环计数法，即以雨流计数法计得的幅值为基础进行滤波。雨流计数法可以保留原始载荷谱的时间序列信息，因此可以将其用来进行载荷谱滤波。雨流滤波后可依次得到载荷的峰谷值顺序，以及该峰谷值所对应的时间序列，以横坐标为时间序列，纵坐标为载荷峰谷值，依次连接各点可得到雨流滤波图。

雨流滤波仅保存载荷的循环以及时间信息，丢失了载荷的其他信息，因此在雨流滤波基础上对滤波方法进行改进。改进的雨流滤波法应与雨流滤波有着相同的循环信息，此外还应反映出载荷的加卸载路径信息，也就是说在删除小循环的基础上，保证滤波谱与原始谱循环的峰谷值相同，同时尽可能保留原始谱的路径。提出以下方案：1.对原始谱进行雨流滤波，得到雨流滤波谱；2.在原始载荷谱中找到将雨流滤波谱各点标出，在标注的两点间选取若干点，使得滤波谱尽量贴近原始载荷谱。最终可得到基于雨流法的滤波图。该滤波方法可以对任何与使用相关的航空发动机载荷谱进行滤波，例如三个方向的过载谱、转速谱、三个方向的加速谱等，可通过计算机编程实现。基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法包括以下步骤。

如图1所示，本发明的基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法，包括以下步骤：

设总共有n个飞行任务剖面，每个飞行任务剖面有m个飞行参数，例如航空发动机法向过载Ny,侧向过载Nz，纵向过载Nx，发动机左发高压转子转速n2_L等。每个飞行剖面各飞行参数有众多飞行数据。

(1)对航空发动机载荷谱的原始谱进行雨流滤波，得到雨流滤波谱；具体步骤为：首先依次筛选出载荷谱的峰谷值，然后通过相邻峰谷值两点之间的关系判断上升或下降量是否满足所设定门槛值来决定每一个点的去留，依次判断每个点直至最后一个点；最后判断雨流滤波谱的最后一个点的值是否与第一个点的值相同，如果不同则在雨流滤波谱的最后添加一个与原始载荷谱最后一个点的值相同的点；将这些点依次相连，即得到初始的雨流滤波谱。

(2)基于雨流滤波谱，添加若干原始载荷谱的点，最终得到基于雨流法的滤波谱。具体步骤为：读入原始载荷谱得全部序列，包含时间与对应载荷值；初始化一个输出数组，将输出数组第一个数据初始化为原载荷谱第一个点；然后读取雨流滤波谱的第二个数据，确定这个点的时间为N，在雨流滤波谱的第1至第N个点间添加原始载荷谱的点；若雨流滤波谱第二个点的载荷数值大于第一个点，则说明该段为上升边，否则为下降边，添加的点时间介于这两点之间，因此添加这些点后，这些点仍应满足原来的规律，即单调上升或是单调下降；其中，添加原始载荷谱的点时采用的判定法的原则为：在上升边添加的点只允许上升，下降边添加的点只允许下降；以雨流滤波谱为基础，在雨流滤波谱的相邻两点间添加补充点。

判定法的具体步骤如下：

a、对上升边，当原始载荷谱相邻两点是不变或增加的时候，保存这些点；当原始载荷谱相邻两点下降时，下降点全部略去；

b、对下降边，当原始载荷谱相邻两点是不变或者下降的时候，保存这些点；当原始载荷谱相邻两点上升时，上升点全部略去；

c、保存的点必须满足单调增加或单调减小，否则不保留；

使用这种判断准则，依次判断全部点直至结束，完成最终的滤波。

下面根据具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例

某型发动机转速谱滤波过程：

如图2所示为某型航空发动机转速谱，该转速谱共5577个采样点，采样频率为1HZ。(1)进行雨流滤波，得到雨流滤波谱。具体步骤如下：通过编程按照顺序依次筛选出载荷谱的峰谷值共3029个有效值，转速峰谷值如图3所示。然后通过相邻峰谷值两点之间的关系判断上升或下降量是否满足所设定门槛值(9.6464)来决定每一个点的去留，依次判断每个点直至最后一个点。最后判断雨流滤波谱的最后一个点的值(4.069)与第一个点的值(4.069)相同，保证了雨流滤波谱的首尾两个点与原始载荷谱一致。将这些点依次相连即得到了雨流滤波谱。如图4所示。在本实例中，对载荷谱的峰谷值进行雨流计数得到各循环的幅值，共1514个循环，幅值(即为峰谷值差值的一半)小于最大幅值(48.242)与最小幅值(0.01)差值的10％为4.8232的滤掉，即相邻峰谷值两点之间的门槛值为(9.6464)。得到的初始的雨流滤波谱共41个有效点如表1，20个循环。

表1删除小幅值后雨流滤波谱

(2)基于雨流滤波谱，添加若干原始载荷谱的点，最终得到基于雨流法的滤波谱。具体步骤如下：读入原始载荷谱全部序列，包含时间与对应载荷值。初始化一个输出数组(1,4.069)，将输出数组第一个数据初始化为原载荷谱第一个点。然后读取雨流滤波谱第二个数据(434,93.077)，确定这个点的时间为N(434)，在雨流滤波谱的第1至第N(434)点间添加恰当的原始载荷谱的点。雨流滤波谱第二个点的载荷数值(93.007)大于第一个点(4.069)，说明该段为上升边，添加的点时间介于这两点之间，这些点应满足原来的规律，即是单调上升的点。具体判定方法如下：对上升边，当原始载荷谱相邻两点是不变或增加的时候，保存这些点，如表2所示；

表2雨流滤波谱第一个点与第二个点之间增加的点

然后读取雨流滤波谱的第三个点(500，72.424)，在雨流滤波谱的第2(434，93.077)至第3(500，72.424)点间添加恰当的原始载荷谱的点。雨流滤波谱第三个点的载荷数值(72.424)小于第二个点(93.077)，说明该段为下降边，添加的点时间介于这两点之间，这些点应满足原来的规律，即是单调下降的点。具体判定方法如下：对下降边，当原始载荷谱相邻两点是下降或者不变的时候，保存这些点；当原始载荷谱相邻两点上升时，上升点全部略去；如表3所示；

表3雨流滤波谱第二个点与第三个点之间增加的点

时间	转速百分比	时间	转速百分比	时间	转速百分比
						434	93.077	474	91.387	497	75.822
435	92.657	478	91.355	498	74.822
						436	91.544	493	91.324	499	73.160
440	91.449	494	88.594	500	72.424
						457	91.418	495	83.255
463	91.387	496	78.919

使用如下判断准则，依次判断全部点直至结束，便完成了最终的滤波。即得到最终的滤波谱共1004个有效点，如图5所示。具体判定方法：(1)对上升边，当原始载荷谱相邻两点是不变或增加的时候，保存这些点；当原始载荷谱相邻两点下降时，下降点全部略去；(2)对下降边，当原始载荷谱相邻两点是不变或下降的时候，保存这些点；当原始载荷谱相邻两点上升时，上升点全部略去；(3)保存的点必须满足单调增加或单调减小，否则不保留。

(3)将原始载荷谱，雨流滤波谱及基于雨流的滤波谱进行对比，原始载荷谱共5577个采样点，雨流滤波谱共41个有效点，最终的基于雨流的滤波谱共1004个有效点(包括雨流滤波谱的41个点)，相比于原始谱滤掉了4573个点，约占总数的82％，既有效的保留了对疲劳寿命影响较大的幅值，又删除了对疲劳损伤影响很小的幅值，波形完好，达到了滤波的目的。图6为原始谱与雨流谱的对比图，如图所示，雨流谱很好的保存了原始谱的主循环及次循环等循环信息；图7为雨流谱与最终基于雨流谱的滤波谱的对比图，如图所示，最终的滤波谱很好的保存了原始谱的主循环及次循环等循环信息；图8为原始谱与滤波谱的对比图，如图所示，基于雨流的滤波谱不仅保存了原始谱的大循环及次循环等循环信息，此外还反映出载荷的加卸载路径信息，也就是说在删除小循环的基础上，保证滤波谱与原始谱循环的峰谷值相同，同时尽可能保留原始谱的路径。图9、图10、图11所示为原始谱与滤波谱局部对比图。其中，原始谱是指实测航空发动机转速谱。雨流谱是在原始谱的基础上基于雨流法，在删除小幅值后得到的载荷谱。滤波谱是基于雨流谱和原始谱的最终滤波后的载荷谱。

通过对比可见，雨流滤波仅保存载荷的循环以及时间信息，丢失了载荷的其他信息，因此在雨流滤波基础上对滤波方法进行改进。改进的雨流滤波法与雨流滤波有着相同的循环信息，此外还反映出载荷的加卸载路径信息，也就是说在删除小循环的基础上，保证滤波谱与原始谱循环的峰谷值相同，同时尽可能保留原始谱的路径。本发明所述的基于雨流法的航空发动机载荷谱的滤波方法，能够有效的消除或者衰减噪声和奇异信号等因素的干扰，提高载荷信号系统的信噪比，将蕴藏在信号中的有用信息识别并提取出来，为后续编制载荷谱和载荷性质分析做好基础工作。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但他们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可做各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当已本申请的专利保护范围所界定的为准。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (4)

1.一种基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)对航空发动机载荷谱的原始谱进行雨流滤波，得到雨流滤波谱；

(2)基于雨流滤波谱，添加若干原始载荷谱的点，最终得到基于雨流法的滤波谱。

2.根据权利要求1所述的基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体步骤为：首先依次筛选出载荷谱的峰谷值，然后通过相邻峰谷值两点之间的关系判断上升或下降量是否满足所设定门槛值来决定每一个点的去留，依次判断每个点直至最后一个点；最后判断雨流滤波谱的最后一个点的值是否与第一个点的值相同，如果不同则在雨流滤波谱的最后添加一个与原始载荷谱最后一个点的值相同的点；将这些点依次相连，即得到初始的雨流滤波谱。

3.根据权利要求1所述的基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体步骤为：读入原始载荷谱得全部序列，包含时间与对应载荷值；初始化一个输出数组，将输出数组第一个数据初始化为原载荷谱第一个点；然后读取雨流滤波谱的第二个数据，确定这个点的时间为N，在雨流滤波谱的第1至第N个点间添加原始载荷谱的点；若雨流滤波谱第二个点的载荷数值大于第一个点，则说明该段为上升边，否则为下降边，添加的点时间介于这两点之间，因此添加这些点后，这些点仍应满足原来的规律，即单调上升或是单调下降；

其中，添加原始载荷谱的点时采用的判定法的原则为：在上升边添加的点只允许上升，下降边添加的点只允许下降；以雨流滤波谱为基础，在雨流滤波谱的相邻两点间添加补充点。

4.根据权利要求3所述的基于雨流计数法的航空发动机载荷谱的滤波方法，其特征在于：所述判定法的具体步骤如下：

a、对上升边，当原始载荷谱相邻两点是不变或增加的时候，保存这些点；当原始载荷谱相邻两点下降时，下降点全部略去；

b、对下降边，当原始载荷谱相邻两点是不变或者下降的时候，保存这些点；当原始载荷谱相邻两点上升时，上升点全部略去；

c、保存的点必须满足单调增加或单调减小，否则不保留；

使用这种判断准则，依次判断全部点直至结束，完成最终的滤波。