CN111191187B - 一种新超声速飞行器振动环境外推方法 - Google Patents

一种新超声速飞行器振动环境外推方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新超声速飞行器振动环境外推方法，属于环境计算技术领域。该方法包括以下步骤：选定一种与新超声速飞行器具有相似气动外形的相似飞行器；依次测量相似飞行器的离散化振动数据，并对每次测量的振动数据进行傅里叶变换后计算得到振动量级，同时计算每次测量对应的动压；通过对不同测量次数的所述振动量级与对应的动压进行线性拟合得到线性拟合曲线的系数，并通过设定的置信区间上限对所述线性拟合曲线的系数进行修正；根据所述线性拟合关系以及新超声速飞行器的动压得到新超声速飞行器的振动量级。本发明实施例解决了现有飞行器振动环境计算方法不适用于新超声速飞行器，导致新超声速飞行器难以确定振动环境的问题。

Description

一种新超声速飞行器振动环境外推方法
技术领域
本发明涉及环境计算技术领域，尤其涉及一种新超声速飞行器振动环境外推方法。
背景技术
关于飞行器振动环境的计算，GJB150A中只规定了喷气式飞机的振动环境的经验计算公式，没有针对飞行器的振动环境计算方法，在实际应用中，对于亚声速飞行器的振动环境计算可以参考GJB150A中喷气式飞机的计算公式，但对于新超声速飞行器，通过GJB150A计算的结果与实际飞行测量结果差异很大，主要是因为新超声速飞行器一般采用冲压发动机为动力，其工作原理与喷气式飞机完全不同，且新超声速飞行器的弹翼形状与喷气式飞机完全不同，两者的相似性更差，所以GJB150A规定的振动环境计算方法并不适用于新超声速飞行器。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种超声速飞行器振动环境测量方法，以解决现有飞行器振动环境计算方法不适用于超声速飞行器，导致超声速飞行器难以确定振动环境的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种新超声速飞行器振动环境外推方法，包括以下步骤：选定一种与新超声速飞行器具有相似气动外形的相似飞行器；依次测量相似飞行器的离散化振动数据，并对每次测量的振动数据进行傅里叶变换后计算得到振动量级，同时计算每次测量对应的动压；通过对不同测量次数的所述振动量级与对应的动压进行线性拟合得到线性拟合曲线的系数，并通过设定的置信区间上限对所述线性拟合曲线的系数进行修正；根据所述线性拟合关系以及新超声速飞行器的动压得到新超声速飞行器的振动量级。
进一步地，所述通过对不同测量次数的所述振动量级与对应的动压进行线性拟合得到线性拟合曲线的系数，其拟合公式如下：
grms,j＝ksqj+b0，j＝1,2,...,M；
其中，grms,j为不同测量次数的振动均方根值，qj为与测量的振动均方根值相对应的动压，M为测量总次数，ks，b0为线性拟合曲线的系数。
进一步地，所述线性拟合曲线的系数进一步根据设定的置信区间上限来修正，包括以下步骤：
根据如下公式计算出M次测量的振动均方根值的标准差Sq，
Figure BDA0002294379760000021
其中
Figure BDA0002294379760000022
根据设定的置信区间上限以及测量次数确定相应的容差因子，并根据如下公式计算出相应于设定的置信区间上限的振动均方根值gNTL和对应的动压qNTL的关系式，
gNTL＝ksqNTL+bs，bs＝b0+sqKM,β,γ；
其中，KM,β,γ为容差因子，Sq为振动均方根值的标准差，ks，b0为线性拟合曲线的系数，bs为修正后的系数。
进一步地，对每次测量的振动数据进行傅里叶变换后计算得到每次测量的振动量级，包括以下步骤：
对每次测量的振动数据进行傅里叶变换得到变换结果X(kΔf)；
根据所述傅里叶变换的变换结果计算得到功率谱密度值G(kΔf)；
根据所述功率谱密度值计算出每次测量的振动均方根值grms,j。
进一步地，根据所述功率谱密度值计算出每次测量的振动量级的公式如下：
Figure BDA0002294379760000031
其中，G(kΔf)为功率谱密度值，Δf为傅里叶变换的频率间隔。
进一步地，根据所述傅里叶变换的变换结果计算得到功率谱密度值G(kΔf)的公式如下：
Figure BDA0002294379760000032
其中，Xi(kΔf)为将X(kΔf)划分后的数据块，nd为数据块个数，Δt为时间间隔，N为所测量的数据点个数。
进一步地，所述对每次测量的振动数据进行傅里叶变换得到变换结果X(kΔf)的公式如下：
Figure BDA0002294379760000033
其中，
Figure BDA0002294379760000034
Δt为时间间隔，T为所测量的数据时间长度，N为所测量的数据点个数。
进一步地，所述每次测量对应的动压的计算公式如下：
Figure BDA0002294379760000035
其中，ρ为相似飞行器飞行所处大气密度，V为相似飞行器的飞行速度，M为测量总次数。
进一步地，所述新超声速飞行器与相似飞行器具有相似气动外形，飞行环境与相似飞行器相同，新超声速飞行器的动压的计算公式为：
Figure BDA0002294379760000041
其中，ρ为新超声速飞行器飞行所处大气密度，V为新超声速飞行器的飞行速度。
进一步地，根据所述线性拟合关系以及新超声速飞行器的动压得到新超声速飞行器的振动量级的计算公式如下：gnew＝ksqnew+bs；
其中，ks，bs为修正后的系数。
本发明技术方案的有益效果：本发明公开了一种新超声速飞行器振动环境外推方法，包括以下步骤：选定一种与新超声速飞行器具有相似气动外形的相似飞行器；依次测量相似飞行器的离散化振动数据，并对每次测量的振动数据进行傅里叶变换后计算得到振动量级，同时计算每次测量对应的动压；通过对不同测量次数的所述振动量级与对应的动压进行线性拟合得到线性拟合曲线的系数，并通过设定的置信区间上限对所述线性拟合曲线的系数进行修正；根据所述线性拟合关系以及新超声速飞行器的动压得到新超声速飞行器的振动量级。本发明解决了现有飞行器振动环境计算方法不适用于新超声速飞行器，导致新超声速飞行器难以确定振动环境的问题，其技术成果可推广至各种超声速飞行器的振动环境预示中。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的一种超声速飞行器振动环境测量方法流程图；
图2为本发明实施例的相似飞行器某舱X向振动与动压的对应关系图；
图3为本发明实施例的相似飞行器某舱Y向振动与动压的对应关系图；
图4为本发明实施例的相似飞行器某舱Z向振动与动压的对应关系图；
图5为本发明实施例的相似飞行器某舱X向振动与动压拟合曲线图；
图6为本发明实施例的相似飞行器某舱Y向振动与动压拟合曲线图；
图7为本发明实施例的相似飞行器某舱Z向振动与动压拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种超声速飞行器振动环境测量方法，包括以下步骤：
S1，选定一种与新超声速飞行器具有相似气动外形的相似飞行器；
具体的，所述相似飞行器还包括具有相似的弹体结构、发动机类型、飞行速度等。
S2，依次测量相似飞行器的离散化振动数据，并对每次测量的振动数据进行傅里叶变换后计算得到振动量级，同时计算每次测量对应的动压；
振动数据是通过安装在飞行器内部设备支架上的加速度传感器获取实时的振动值，然后通过遥测系统实时传输到地面接收站。
具体地，所述离散化振动数据为对相似飞行器测量的振动数据进行离散化后的表示，如下公式：
x(t)＝x(nΔt),n＝0,1,...,N-1；(0＜Δt＜T)；
其中，Δt为采样的时间间隔，单位为秒s，T为所测量数据的时间长度，单位为秒s，N为所测数据点个数。
振动量级计算方法如下，首先按以下公式对测量的离散化振动数据进行傅里叶变换，变换结果为X(kΔf)：
Figure BDA0002294379760000061
其中，
Figure BDA0002294379760000062
然后根据以下公式计算功率谱密度值G(kΔf)：
Figure BDA0002294379760000063
其中，nd为数据块个数。
最后根据如下公式计算出振动量级，即振动均方根值：
Figure BDA0002294379760000064
动压q的计算公式如下：
Figure BDA0002294379760000065
其中，ρ为相似飞行器飞行所处大气密度，单位kg/m3；V为相似飞行器的飞行速度，单位m/s。
将不同测量次数的振动均方根值记为grms,j(j＝1,2,...,M，M为振动测量总次数)，同时与振动时刻对应的动压记为qj。
动压的定义：把气体流动中所需动能转化成压力的形式，通过飞行器设计的飞行速度和飞行高度所处的空气密度代入上述公式计算得到。一般来说飞行器不同飞行高度下的飞行速度都已经设计好了，飞行时按设计的高度和速度飞行，飞行速度都可以确定，实际飞行时也有实测数据，但与设计值偏差很小，可择一使用。
S3，通过对不同测量次数的所述振动量级与对应的动压进行线性拟合得到线性拟合曲线的系数，并通过设定的置信区间上限对所述线性拟合曲线的系数进行修正；
具体地，对相似飞行器的振动grms,j与动压qj进行线性拟合，按以下公式进行拟合，确定系数ks，b0：
grms＝ksq+b0；
其中，grms为测量的振动均方根值，单位为g；q为与测量的振动均方根值相对应的动压，单位为Pa；ks，b0为线性拟合曲线的系数。
对于拟合曲线，设定置信度后计算置信区间上限的拟合关系，过程如下，首先根据以下公式计算M次测量振动均方根值的标准差Sq：
Figure BDA0002294379760000071
其中，
Figure BDA0002294379760000072
然后根据容差因子KM,β,γ计算出修正后的系数以及置信度的置信区间上限的gNTL和qNTL关系式：
gNTL＝ksqNTL+bs，其中bs＝b0+sqKM,β,γ；
其中，KM,β,γ为测量次数M对应的概率为β置信度为γ时的容差因子。
S4，根据所述线性拟合关系以及新超声速飞行器的动压得到新超声速飞行器的振动量级。
具体地，根据步骤S3确定的ks和bs，将新超声速飞行器的动压qnew代入如下公式：gnew＝ksqnew+bs，得到新超声速飞行器的振动均方根值gnew。
与现有技术相比，本发明实施例解决了新超声速飞行器难以确定振动环境的问题，该技术成果可推广至各种新超声速飞行器的振动环境预示中。
需要说明的是，振动环境是个随机信号，一般用振动均方根表征振动的总能量(即振动量级)，用峰值表征波动范围，用功率谱密度表征能量分布情况。新飞行器在设计阶段，此时还没有制造出来，需要知道未来飞行过程中的振动量级，新超声速飞行器的振动量级都很大，飞行器内部设备需要按这种振动量级去设计产品，以确保在这种振动环境下能正常工作，否则，如果不知道振动量级，等实际飞行时飞行器会发现内部设备都扛不住飞行振动，会造成飞行器坠毁，代价极大，因此需要通过相似飞行器的数据去外推新飞行器的振动量级。
本发明的一个具体实施例，所述通过对不同测量次数的所述振动量级与对应的动压进行线性拟合得到线性拟合曲线的系数，其拟合公式如下：
grms,j＝ksqj+b0，j＝1,2,...,M；
其中，grms,j为不同测量次数的振动均方根值，qj为与测量的振动均方根值相对应的动压，M为测量总次数，ks，b0为线性拟合曲线的系数。
本发明的一个具体实施例，所述线性拟合曲线的系数进一步根据设定的置信区间上限来修正，包括以下步骤：
根据如下公式计算出M次测量的振动均方根值的标准差Sq，
Figure BDA0002294379760000091
其中，
Figure BDA0002294379760000092
根据设定的置信区间上限以及测量次数确定相应的容差因子，并根据如下公式计算出相应于设定的置信区间上限的振动均方根值gNTL和对应的动压qNTL的关系式，
gNTL＝ksqNTL+bs，bs＝b0+sqKM,β,γ；
其中，KM,β,γ为容差因子，Sq为振动均方根值的标准差，ks，b0为线性拟合曲线的系数，bs为修正后的系数。
具体应用中，对拟合曲线，确定90％概率50％置信度或99％概率90％置信度的置信区间上限，计算置信区间上限的过程如下：
首先计算M次测量振动均方根值的标准差sg；
然后根据容差因子KM,β,γ计算出90％概率50％置信度或99％概率90％置信度的置信区间上限的gNTL和qNTL关系式。
其中，KM,β,γ为测量次数M对应的概率为β置信度为γ时的容差因子，容差因子由下表1确定。
表1 容差上限的容差因子
Figure BDA0002294379760000093
Figure BDA0002294379760000101
本发明的一个具体实施例，对每次测量的振动数据进行傅里叶变换后计算得到每次测量的振动量级，包括以下步骤：
对每次测量的振动数据进行傅里叶变换得到变换结果X(kΔf)；
根据所述傅里叶变换的变换结果计算得到功率谱密度值G(kΔf)；
根据所述功率谱密度值计算出每次测量的振动量级grms,j。
本发明的一个具体实施例，根据所述功率谱密度值计算出每次测量的振动量级的公式如下：
Figure BDA0002294379760000102
其中，G(kΔf)为功率谱密度值，Δf为傅里叶变换的频率间隔。
本发明的一个具体实施例，根据所述傅里叶变换的变换结果计算得到功率谱密度值G(kΔf)的公式如下：
Figure BDA0002294379760000103
其中，Xi(kΔf)为将X(kΔf)划分后的数据块，nd为数据块个数，Δt为时间间隔，N为所测量的数据点个数。
本发明的一个具体实施例，所述对每次测量的振动数据进行傅里叶变换得到变换结果X(kΔf)的公式如下：
Figure BDA0002294379760000104
其中，
Figure BDA0002294379760000111
Δt为时间间隔，T为所测量的数据时间长度，N为所测量的数据点个数。
本发明的一个具体实施例，所述每次测量对应的动压的计算公式如下：
Figure BDA0002294379760000112
其中，ρ为相似飞行器飞行所处大气密度，V为相似飞行器的飞行速度，M为测量总次数。
本发明的一个具体实施例，所述新超声速飞行器与相似飞行器具有相似气动外形，飞行环境与相似飞行器相同，新超声速飞行器的动压的计算公式为：
Figure BDA0002294379760000113
其中，ρ为新超声速飞行器飞行所处大气密度，V为新超声速飞行器的飞行速度。
本发明的一个具体实施例，根据所述线性拟合关系以及新超声速飞行器的动压得到新超声速飞行器的振动量级的计算公式如下：gnew＝ksqnew+bs；其中，ks，bs为修正后的系数。
具体应用实例来说，一种超声速飞行器振动环境测量方法的具体步骤如下：
第一步：某新飞行器超声速飞行器需要确定某舱飞行振动环境，因没有飞行试验，也没有相关标准可参考，找出相似飞行器做过的飞行试验，有实测数据。
第二步：对相似飞行器的飞行试验某舱X、Y、Z向的振动和对应的动压进行分析，得到的对应关系如图2-4所示。
第三步：对相似飞行器的飞行试验某舱X、Y、Z向的振动与动压的关系按公式：gNTL＝ksqNTL+bs进行拟合，得到拟合曲线90％概率50％置信度的置信度下的拟合上限，如图5-7所示。
第四步：将新飞行器的动压数值代入90％概率50％置信度下拟合曲线，得到新飞行器的振动量级，如表2所示。
表2 外推结果
Figure BDA0002294379760000121
综上所述，本发明公开了一种新超声速飞行器振动环境外推方法，包括以下步骤：选定一种与新超声速飞行器具有相似气动外形的相似飞行器；依次测量相似飞行器的离散化振动数据，并对每次测量的振动数据进行傅里叶变换后计算得到振动量级，同时计算每次测量对应的动压；通过对不同测量次数的所述振动量级与对应的动压进行线性拟合得到线性拟合曲线的系数，并通过设定的置信区间上限对所述线性拟合曲线的系数进行修正；根据所述线性拟合关系以及新超声速飞行器的动压得到新超声速飞行器的振动量级。本发明针对目前相关标准没有可用的经验公式或工程计算方法外推新超声速飞行器的振动环境的问题，此技术方案解决了现有飞行器振动环境计算方法不适用于新超声速飞行器，导致新超声速飞行器难以确定振动环境的问题，该技术成果可推广至各种新超声速飞行器的振动环境预示中。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新超声速飞行器振动环境外推方法，其特征在于，包括以下步骤：
选定一种与新超声速飞行器具有相似气动外形的相似飞行器；
依次测量相似飞行器的离散化振动数据，并对每次测量的振动数据进行傅里叶变换后计算得到振动量级，同时计算每次测量对应的动压；
通过对不同测量次数的所述振动量级与对应的动压进行线性拟合得到线性拟合曲线的系数，并通过设定的置信区间上限对所述线性拟合曲线的系数进行修正；
根据所述线性拟合关系以及新超声速飞行器的动压得到新超声速飞行器的振动量级。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过对不同测量次数的所述振动量级与对应的动压进行线性拟合得到线性拟合曲线的系数，其拟合公式如下：
grms,j＝ksqj+b0，j＝1,2,...,M；
其中，grms,j为不同测量次数的振动均方根值，qj为与测量的振动均方根值相对应的动压，M为测量总次数，ks，b0为线性拟合曲线的系数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述线性拟合曲线的系数进一步根据设定的置信区间上限来修正，包括以下步骤：
根据如下公式计算出M次测量的振动均方根值的标准差Sq，
Figure FDA0002294379750000011
其中
Figure FDA0002294379750000012
根据设定的置信区间上限以及测量次数确定相应的容差因子，并根据如下公式计算出相应于设定的置信区间上限的振动均方根值gNTL和对应的动压qNTL的关系式，
gNTL＝ksqNTL+bs，bs＝b0+sqKM,β,γ；
其中，KM,β,γ为容差因子，Sq为振动均方根值的标准差，ks，b0为线性拟合曲线的系数，bs为修正后的系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对每次测量的振动数据进行傅里叶变换后计算得到每次测量的振动量级，包括以下步骤：
对每次测量的振动数据进行傅里叶变换得到变换结果X(kΔf)；
根据所述傅里叶变换的变换结果计算得到功率谱密度值G(kΔf)；
根据所述功率谱密度值计算出每次测量的振动均方根值grms,j。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述功率谱密度值计算出每次测量的振动量级的公式如下：
Figure FDA0002294379750000021
其中，G(kΔf)为功率谱密度值，Δf为傅里叶变换的频率间隔。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，根据所述傅里叶变换的变换结果计算得到功率谱密度值G(kΔf)的公式如下：
Figure FDA0002294379750000022
其中，Xi(kΔf)为将X(kΔf)划分后的数据块，nd为数据块个数，Δt为傅里叶变换采样的时间间隔，N为所测量的数据点个数。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对每次测量的振动数据进行傅里叶变换得到变换结果X(kΔf)的公式如下：
Figure FDA0002294379750000023
其中，
Figure FDA0002294379750000024
Δt为傅里叶变换采样的时间间隔，T为所测量的数据时间长度，N为所测量的数据点个数。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述每次测量对应的动压的计算公式如下：
Figure FDA0002294379750000031
其中，ρ为相似飞行器飞行所处大气密度，V为相似飞行器的飞行速度，M为测量总次数。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新超声速飞行器与相似飞行器具有相似气动外形，飞行环境与相似飞行器相同，新超声速飞行器的动压的计算公式为：
Figure FDA0002294379750000032
其中，ρ为新超声速飞行器飞行所处大气密度，V为新超声速飞行器的飞行速度。
10.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于，根据所述线性拟合关系以及新超声速飞行器的动压得到新超声速飞行器的振动量级的计算公式如下：gnew＝ksqnew+bs；
其中，ks，bs为修正后的系数。
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战术导弹自主飞振动环境研究;樊会涛等;《战术导弹技术》;20150315(第02期);全文 *

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