CN111474384B - 一种薄壁位置冲击信号数据修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冲击信号数据修正技术领域，具体涉及一种导弹导引头薄壁位置冲击信号数据修正方法。在某些情况下加速度传感器不得不安装在薄壁件上，薄壁件的局部共振和传感器的附加质量使测到的冲击信号在某些频点被放大，测得的冲击信号并非作用到产品上的真实环境，本发明公开的方法适用于此类冲击数据的修正。本发明主要提高了实测数据的准确性，减弱薄壁件局部模态引起的信号失真，避免根据实测冲击数据制定的试验条件量值偏大。本发明将薄壁件简化为单自由度弹簧阻尼系统，计算系统的幅频响应将其转化为修正系数，通过修正系数还原实测冲击信号的频域幅值从而得到更准确的冲击信号。

Description

一种薄壁位置冲击信号数据修正方法
技术领域
本发明属于冲击信号数据修正技术领域，具体涉及一种薄壁位置冲击信号数据修正方法。
背景技术
冲击指一个结构受到的瞬态载荷，能激起瞬态扰动的力、位移、速度或加速度的突然变化，并且在很小的空间内释放出相当大的能量。由于冲击运动会给设备带来损伤和破坏，因此需要研究设备所处的冲击环境，并通过模拟环境检查其耐冲击能力。为获取设备所处的冲击环境，需要在设备上的一些关键位置安装加速度传感器，处理传感器获取到的信号得到设备典型的冲击环境。如何使测到的冲击环境更接近设备真实承受的冲击环境显得至关重要。
通常，传感器应该选择安装在结构刚性最好的位置，以免因结构局部模态造成信号失真从而测到的冲击环境不能很好的模拟设备真实经历的冲击环境。对于导弹来说，导引头是导弹发现、识别与跟踪目标的部件，是导弹的核心部件，关乎作战任务的成败，但同时也是导弹上抗冲击能力较差的部件，因此导引头位置的冲击环境备受关注。由于导弹要求轻量化，通常其内部结构非常紧凑，有时为测量导引头的冲击，传感器不得不安装在一些薄壁件上。薄壁件属于结构刚性很差的部位，冲击信号在低频的某一范围内能量被远远放大，以该信号归纳的导引头冲击环境比其实际承受的冲击环境更恶劣。用这种放大后的冲击环境考核导引头的耐冲击能力往往造成导引头的损坏，带来巨大的经济损失。
目前，国内外几乎没有对薄壁件上测得的冲击信号进行修正的有效方法，对此类问题，更多的是采取另行选择其他位置或者改变产品的结构的措施。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种因局部模态导致失真的冲击信号修正方法，要求该方法能够在不改变现有结构布局的条件下，使修正后的冲击信号更接近设备真实承受的冲击环境。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种导弹导引头薄壁位置冲击信号数据修正方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：通过理论计算或者实测得到系统的幅频响应特性系数；
其中，所述幅频响应特性的理论计算过程如下：通过实测信号确定被测部位的固有频率fn和阻尼系数ξ；然后将被测部位的薄壁结构件当作单自由度弹簧阻尼系统，把固有频率fn和阻尼系数ξ代入公式(1)，可求得被测部位的幅频响应特性系数，即冲击信号在各个频点的放大系数；
公式(1)中η为各个频点的幅频响应特性系数，λ＝f/fn为各个频点f与固有频率fn的频率比；
Figure BDA0002457473890000021
步骤2：对传感器测到的冲击信号进行傅里叶变换，将冲击信号的数据转换为频域数据；
由于实测得到的冲击信号实际上是离散信号，因此采用离散傅里叶变换将其转换为频域数据；假设y＝{y0,y1,y2,…,yN-1}是冲击信号经过等时间间隔取样后的时间序列，其离散傅里叶变换的频域数据形式为：
Figure BDA0002457473890000022
其中，i为复数的基本单位，k为时域数据变换到频域数据后的点；
将变换后的频域数据除以对应频点的幅频响应特性系数，即可得到修正后的频域数据；修正后的频域数据表达式为：
Figure BDA0002457473890000031
步骤3：通过逆傅里叶变换将修正后的频域数据转换到时域，得到修正后的冲击信号；逆傅里叶变换的过程如下：
Figure BDA0002457473890000032
通过上述三个步骤，即可对受局部模态影响的原始的冲击信号进行修正。
其中，所述步骤1中，通过实测数据得到系统幅频响应系数的方法包括激振器法。
其中，所述步骤1中，通过实测数据得到系统幅频响应系数的方法包括锤击法。
其中，所述步骤1中，通过实测数据得到系统幅频响应系数的方法包括扫频法。
此外，本发明还提供一种导弹导引头薄壁位置冲击信号数据修正方法，其将薄壁结构件简化为单自由度弹簧阻尼系统,计算该单自由度弹簧阻尼系统的幅频响应特性系数，将幅频响应特性系数作为修正系数，将实测信号时域数据通过傅里叶变换转为频域数据，利用该幅频响应特性系数修正频域数据，对修正后的频域数据做逆傅里叶变换得到时域信号。
其中，该方法可推广至其他薄壁结构件的冲击信号修正。
其中，该方法的应用场合并不局限于导弹的导引头。
其中，所述幅频响应特性系数利用固有频率和阻尼比信息理论计算得到，通过有限元计算得到，也可通过试验方法测量得到。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明技术方案将冲击信号的修正问题转化为已知传递系统和系统输出求系统输入的问题，系统的幅频响应特性和系统的输出都可通过试验测得。通过幅频响应可知输入信号经过传递系统后在各个频点的放大系数，再利用系统的输出即传感器测到的信号依据各频点的放大系数将其还原。
最终，本发明可实现在不改变现有结构布局的条件下，测到更接近设备真实情况的冲击信号。
附图说明
图1是典型的幅频响应曲线示意图。
图2-1及图2-2是导引头位置实测信号与冲击响应谱示意图。
图3是导引头薄壁位置沿导弹轴向的幅频响应曲线示意图。
图4-1及图4-2是导引头实测数据和修正信号的对比结果示意图。
图5-1至图5-3是修正信号与仪器舱参考点位实测数据的对比结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术问题，本发明提供一种导弹导引头薄壁位置冲击信号数据修正方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：通过理论计算或者实测得到系统的幅频响应特性系数；
其中，所述幅频响应特性的理论计算过程如下：通过实测信号确定被测部位的固有频率fn和阻尼系数ξ；然后只考虑主要因素，将被测部位的薄壁结构件当作单自由度弹簧阻尼系统，把固有频率fn和阻尼系数ξ代入公式(1)，可求得被测部位的幅频响应特性系数，即冲击信号在各个频点的放大系数；
公式(1)中η为各个频点的幅频响应特性系数，λ＝f/fn为各个频点f与固有频率fn的频率比；典型的幅频响应曲线如图1所示。
Figure BDA0002457473890000051
其中，一个冲击信号是由不同频率成分信号组成的，要求各个频率成分(频点)的真实值。此处，f指代各个频率成分，也就是各个频点，也可称为频段。
步骤2：对传感器测到的冲击信号进行傅里叶变换，将冲击信号的数据转换为频域数据；
由于实测得到的冲击信号实际上是离散信号，因此采用离散傅里叶变换将其转换为频域数据；假设y＝{y0,y1,y2,…,yN-1}是冲击信号经过等时间间隔取样后的时间序列，其离散傅里叶变换的频域数据形式为：
Figure BDA0002457473890000052
其中，i为复数的基本单位，k为时域数据变换到频域数据后的点；
将变换后的频域数据除以对应频点的幅频响应特性系数，即可得到修正后的频域数据；修正后的频域数据表达式为：
Figure BDA0002457473890000053
步骤3：通过逆傅里叶变换将修正后的频域数据转换到时域，得到修正后的冲击信号；逆傅里叶变换的过程如下：
Figure BDA0002457473890000054
通过上述三个步骤，即可对受局部模态影响的原始的冲击信号进行修正。
所述步骤1中，通过实测数据得到系统幅频响应系数的方法包括激振器法、锤击法、扫频法等，这些方法都比较成熟，在工程上得到了广泛的使用，因此本发明对此不展开介绍。
此外，本发明还提供一种导弹导引头薄壁位置冲击信号数据修正方法，其将薄壁结构件简化为单自由度弹簧阻尼系统,计算该单自由度弹簧阻尼系统的幅频响应特性系数，将幅频响应特性系数作为修正系数，将实测信号时域数据通过傅里叶变换转为频域数据，利用该幅频响应特性系数修正频域数据，对修正后的频域数据做逆傅里叶变换得到时域信号。
其中，该方法可推广至其他薄壁结构件的冲击信号修正。
其中，该方法的应用场合并不局限于导弹的导引头。
其中，所述幅频响应特性系数利用固有频率和阻尼比信息理论计算得到，通过有限元计算得到，也可通过试验方法测量得到。
实施例1
本实施例中，如图2-1及图2-2所示，为导引头上薄壁位置测到的一发射冲击信号，及其冲击响应谱。从冲击响应谱可看到在806Hz附近有一凸点，该频率恰好对应导引头薄壁位置沿导弹轴向方向固有频率，此信号为该位置的冲击响应，并不是导引头位置的承受的冲击载荷。根据该响应信号制定的试验条件考核导引头的耐冲击能力将会造成过试验，因此需要对其进行修正。修正过程如下：
步骤1：通过理论计算或者实测得到系统的幅频响应特性曲线。
已知导引头处薄壁位置沿导弹轴向方向的固有频率为805Hz，参考国军标150.18A-2009可将阻尼系数设置为0.05。按照公式(1)可求得系统的幅频响应即冲击信号在各个频点的放大系数。该薄壁结构的幅频响应曲线见图3。
步骤2：对传感器测到的冲击信号进行傅里叶变换将数据转换到频域，按照公式(3)进行修正。
步骤3：通过逆傅里叶变换将修正后的频域数据转换到时域，得到修正后的时域信号修正后的信号如图4-1及图4-2所示，从图4-1及图4-2中信号的冲击响应谱可看出在806Hz附近的频率凸点得到了修正。
通常，在导弹的仪器舱和导引头舱壁连接段是最佳的测点位置，测到的信号可认为是导引头实际承受的冲击载荷，但往往因为弹体的空间有限此处无法安装传感器。为验证本发明的准确性，此次飞行试验在仪器舱和导引头连接段位置安装了振动加速度传感器作为修正结果的对照，对比结果如图5-1至图5-3所示，从图中可看出修正后的时域信号与仪器舱壁连接段的实测信号几乎一致，因此证明本发明的正确性。该方法可进一步推广应用于导弹导引头薄壁位置发射冲击信号修正。
综上，本发明属于冲击信号数据修正技术领域，具体涉及一种导弹导引头薄壁位置冲击信号数据修正方法。在某些情况下加速度传感器不得不安装在薄壁件上，薄壁件的局部共振和传感器的附加质量使测到的冲击信号在某些频点被放大，测得的冲击信号并非作用到产品上的真实环境，本发明公开的方法适用于此类冲击数据的修正。本发明主要提高了实测数据的准确性，减弱薄壁件局部模态引起的信号失真，避免根据实测冲击数据制定的试验条件量值偏大。本发明将薄壁件简化为单自由度弹簧阻尼系统，计算系统的幅频响应将其转化为修正系数，通过修正系数还原实测冲击信号的频域幅值从而得到更准确的冲击信号。本发明的突出优点是理论依据充分、需要的输入参数少、计算时间短、修正后的数据准确，因此本方法具有推广应用空间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种薄壁位置冲击信号数据修正方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：通过理论计算或者实测得到系统的幅频响应特性系数；
其中，所述幅频响应特性的理论计算过程如下：通过实测信号确定被测部位的固有频率fn和阻尼系数ξ；然后将被测部位的薄壁结构件当作单自由度弹簧阻尼系统，把固有频率fn和阻尼系数ξ代入公式(1)，可求得被测部位的幅频响应特性系数，即冲击信号在各个频点的放大系数；
公式(1)中η为各个频点的幅频响应特性系数，λ＝f/fn为各个频点f与固有频率fn的频率比；
Figure FDA0003437525760000011
步骤2：对传感器测到的冲击信号进行傅里叶变换，将冲击信号的数据转换为频域数据；
由于实测得到的冲击信号实际上是离散信号，因此采用离散傅里叶变换将其转换为频域数据；假设y＝{y0,y1,y2,…,yN-1}是冲击信号经过等时间间隔取样后的时间序列，其离散傅里叶变换的频域数据形式为：
Figure FDA0003437525760000012
其中，i为复数的基本单位，k为时域数据变换到频域数据后的点；
将变换后的频域数据除以对应频点的幅频响应特性系数，即可得到修正后的频域数据；修正后的频域数据表达式为：
Figure FDA0003437525760000013
步骤3：通过逆傅里叶变换将修正后的频域数据转换到时域，得到修正后的冲击信号；逆傅里叶变换的过程如下：
Figure FDA0003437525760000021
通过上述三个步骤，即可对受局部模态影响的原始的冲击信号进行修正。
2.如权利要求1所述的薄壁位置冲击信号数据修正方法，其特征在于，所述步骤1中，通过实测数据得到系统幅频响应系数的方法包括激振器法。
3.如权利要求1所述的薄壁位置冲击信号数据修正方法，其特征在于，所述步骤1中，通过实测数据得到系统幅频响应系数的方法包括锤击法。
4.如权利要求1所述的薄壁位置冲击信号数据修正方法，其特征在于，所述步骤1中，通过实测数据得到系统幅频响应系数的方法包括扫频法。
5.如权利要求1所述的薄壁位置冲击信号数据修正方法，其特征在于，该方法可推广至其他薄壁结构件的冲击信号修正。
6.如权利要求1所述的薄壁位置冲击信号数据修正方法，其特征在于，该方法的应用场合并不局限于导弹的导引头。
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