CN112484835B - 一种基于雨流计数法的随机振动有效振幅测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于雨流计数法的随机振动有效振幅测量方法，包括步骤：S1.获得被测对象至少一个通道的时域振动信号；S2.用雨流计数法进行循环计数，并得到各个全循环的振幅；S3.计算步骤S2得到的所有全循环的振幅的均方根值，作为有效振幅。可用于准确评价交通工具在行驶中其后视镜、仪表板、发动机盖及车载显示屏的抖动，取代主观评价，或者和主观评价相结合。通过多个通道的测量，可以得到被测对象在三维空间各个方向上的平动和转动有效振幅。测量结果可用于评价设计是否符合要求，或为改进设计提供试验数据。

Description

一种基于雨流计数法的随机振动有效振幅测量方法

技术领域

本申请涉及一种随机振动有效振幅测量方法，尤其涉及一种基于雨流计数法的随机振动有效振幅测量方法。

背景技术

交通工具在行驶中产生的随机振动会使其后视镜、仪表板、显示屏等零部件发生抖动，轿车在高速上超越大型车辆时发动机盖会在大型车辆尾部扰流作用下发生短时间的抖动，大客车、列车、飞机等大型交通工具上的外挂显示屏也会发生类似的抖动。车辆后视镜、仪表和显示屏的抖动会使驾驶员或者乘客的驾乘舒适性变差，后视镜、仪表的抖动还会造成安全隐患，轿车发动机盖的抖动幅度过大时不仅可能产生噪音，缩短零部件的使用寿命，还会使驾乘人员对车辆的安全感受和质量感受变差。

这些抖动有两个特点，首先它们是一种不稳定的随机振动，原因是激励的不稳定性和零件振动模态的复杂性；第二个特点是这些抖动主要被驾乘人员的视觉感知。这两个特点决定了用传统的振动分析、评价方法很难对这些抖动作出准确的定量分析。实践中最常用的方法是人工主观评价。对于有经验的试验人员来说，这种评价是有意义的，但是缺点也很明显，只能定性地评价；对较大的零件比如轿车发动机盖，只能较整体地评价；同时由于没有量化，对不同的设计、不同的车辆的对比无法准确进行。

现有技术对随机振动的分析方法主要有功率谱密度法、最大振幅法等。但这些方法的测量结果和驾乘人员的主观感知关联性较低，特别是振幅随时间变化、而且振动的相对中心位置也随时间变化的情况，比如发动机前盖在前方大车尾部扰流作用下的抖动。

发明内容

雨流计数法是疲劳载荷数据分析中常用的一种算法，用于识别复杂载荷序列中与恒幅疲劳数据相似的内容，得到随机振动的幅值谱，即不同加载幅值的循环次数的分布，以用来预测被测件的疲劳寿命。这种方法适合疲劳试验载荷谱分析，但在分析振幅随时间变化、而且振动的相对中心位置也随时间变化的随机振动时，特别是分析这些随机振动的低频分量时，也可以取得很好的效果。

为了准确评价交通工具在行驶中其后视镜、仪表板、发动机盖、车载显示屏以及类似被测件的抖动，特别是评价驾乘人员主观感受到的这些被测件的抖动，尤其是视觉上的感受，取代主观评价、或者和主观评价相结合，用于评价设计是否符合要求、或者为改进设计提供试验数据，本申请提供了一种基于雨流计数法的随机振动有效振幅测量方法。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案，包括步骤：

S1. 获得被测对象至少一个通道的时域振动信号；

S2. 用雨流计数法对每个通道测得的信号分别进行循环计数，得到各个全循环的振幅；

S3. 按通道分别计算步骤S2得到的所有全循环的振幅的均方根值，作为有效振幅，用于评价驾乘人员对被测对象抖动的主观感受。

进一步地，由于人类视觉能感受到的振动频率范围和身体接触所能感受到的振动频率范围有差别，上述步骤S1所述的时域振动信号的测量采样频率在40至200Hz范围内为优选方案，或者在测量时采用大于200Hz的采样频率、测量后进行截止频率为20至100Hz的低通滤波。将评价的振动频率范围限制在低频范围更能反映驾乘人员的主观感受。

进一步地，对常见的交通工具来说，采样频率为60Hz，或者低通滤波截止频率为30Hz时为优选方案。

进一步地，在步骤S2和S3之间还可以包括步骤S2a：对步骤S2得到的循环按测量通道进行筛选，将振幅小于阈值的循环删除，该阈值根据被测对象确定。幅值小于一定阈值的循环如果进入统计计算，会影响计算结果的有效性。根据试验结果，步骤S2a的阈值可在0.1至1mm范围内确定，或者根据对应的测量通道最大振幅的5%至50%范围内确定。

进一步地，步骤S1获得的随机振动信号通道数可以大于1个，并且可以将这些通道组成1至3组；第1组的各通道测量方向平行且不在同一直线上；第2组的各通道测量方向平行且不在同一直线上，而且和第一组的各通道测量方向垂直；第3组的各通道测量方向平行且不在同一直线上，而且和第1组以及第2组的各通道测量方向均垂直；对各组测得的信号进行组合计算，得到被测对象在三维空间各个方向上的平动和转动振动信号。对乘用车的后视镜、大型车辆或者飞机上的屏幕进行振动评价时，可以用本技术方案得到旋转方式的振动幅度，对被测对象的抖动进行更全面的评价。

进一步地，根据实际使用得到的经验，仅需对长度为0.5至30秒的振动信号进行计算，即可得到有效振幅，对被测对象进行抖动评价。当被测件的抖动比较平稳时，可以使用较长的振动信号进行计算，得到的结果一致性更好；当被测件的抖动不平稳，或者有多种工作状态时，可以使用较短的振动信号进行计算，得到有效振幅的范围，以及有效振幅随时间或者工作状态变化而变化的曲线。

进一步地，进行相对平稳的抖动的评价时，或者对某一种工作状态下的被测对象进行评价时，例如乘用车在同一种路面平稳行驶时，或者将轿车置于大型车辆尾流中保持相对位置不变时，计算有效振幅的信号长度以15秒为优选方案。

进一步地，为了得到更加准确的评价数据，可以对被测件进行重复测量，或者对相对平稳的抖动状态进行较长时间的测量并将测量数据按前述时间长度进行分段，然后将根据每段数据得到的振幅均方根值再进行算术平均，得到有效振幅。

与现有技术相比，本申请提出的技术方案具有以下优点：可以准确评价驾乘人员主观感受到的被测件的抖动，尤其是视觉上的感受；一方面可以帮助设计人员用具体的数据来描述驾乘人员感受到的被测件抖动的剧烈程度，为被测件建立舒适性设计标准；另一方面可以对已经设计好的技术方案进行测量，得到其有效振幅，取代主观评价；或者和主观评价相结合，来评价设计是否符合要求；或者为改进设计提供试验数据。

附图说明

图1是本申请的流程图。

图2是实施例一和实施例二的测点布置图。

图3是实施例三的测点布置图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点和功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神的情况下进行各种修饰或改变。在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一。

本实施例为轿车在高速公路上高速行驶过程中，发动机盖在高速气流作用下，或者在轿车超越大型车辆时，在前车尾部扰流作用下发生抖动时的有效振幅的测量方法。如果发动机盖发生较为剧烈的抖动，驾乘人员很容易通过视觉感受到这些抖动，从而对驾驶员产生干扰并降低驾乘人员的安全感受，进而降低驾乘人员对车辆安全性的评价。具体实施步骤如下。

S1. 按照图2所示的发动机盖上的5个位置，在发动机盖的内板一侧布置测点。测量用的传感器优选使用拉线式位移传感器，也可使用加速度传感器。如果使用加速度传感器，则需要在进一步处理前，对测得的信号进行两次积分，得到位移信号。本实施例的五个测量通道相互独立，测量后分别进行处理。

测量的最佳方案是在大型风洞里进行。在被测车辆的前方放置模拟大型货车的障碍物，将被测车辆的对称轴和障碍物的左侧对齐，被测车辆前端距离障碍物10米。对仅在国内销售的车辆，可将最高测试风速定为140km/h，对于可能销往欧洲的车辆，可将最高测试风速定为180km/h。在每个测试风速下测量2分钟。在信号采集完毕后，初步检查信号是否异常。在进一步信号处理前，对每个通道的信号进行截止频率为30Hz的低通滤波。

如果没有大型风洞试验条件，测试也可以在试车场的高速环道上进行。此时需要一辆可以在短时间内加速至最高测试速度的大型MPV或者大型SUV作为前车，被测车辆尾随前车，和前车相距15米，以相同的速度行驶。测试开始时，被测车辆在保持车速以及和前车距离不变的情况下，向左变道至被测车辆中轴线和前车左侧对齐并保持该状态10秒以上，同时数据采集系统记录全程数据。重复试验并采集数据。在高速环道上进行本测试具有较高的危险性，必须由经过专门培训的试车员驾驶车辆，同时配备必要的技术手段保证试验的安全和试验的准确性。

S2. 在步骤S1得到的各通道信号中分别截取5段；如果是在风洞中进行的测试，每段信号长度为15秒；如果是在高速环道上进行的测试，每段信号长度为5秒。用雨流计数法对每一通道测得的信号进行循环计数，并得到各个全循环的振幅。雨流计数法用普通的四点法即可，可以用MATLAB或者Excel等软件实现。由于在乘用车的日常使用中，发动机盖的随机振动有效振幅可达0.5mm，该振幅并不会引起驾乘人员的不适，因此在循环计数后，筛除振幅小于等于0.5mm的循环。

S3. 在步骤S2获得每段信号的筛选后的各循环的振幅后，分别对每一段的筛选后的循环计算振幅均方根值。然后针对每一通道，对各段得到的振幅均方根值计算算术平均值，作为该通道测得的有效振幅。如果进行了不同速度或者不同工况下的测试，则需对各个速度或者各个工况分别计算各通道的有效振幅。

实施例二。

本实施例为车辆在坏路面上行驶时，或者其他交通工具在恶劣工况下工作时，发动机盖或者其他零部件发生抖动时的有效振幅测量方法。本实施例仍以图2所示的发动机盖和测点布置为例，说明本申请所提供的有效振幅测量方法的另一种实施方式。

当交通工具在恶劣工况下工作时，很多零部件会发生抖动，这种抖动如果幅度过大，不仅会进一步降低驾乘人员的舒适性，也会对零部件的使用寿命产生不利影响。测量的具体实施步骤如下。

S1. 按照图2所示的发动机盖上的5个位置，在发动机盖的内板一侧布置测点。测量用的传感器优选使用拉线式位移传感器，也可用加速度传感器。如果使用加速度传感器，则需要在进一步处理前，对测得的信号进行两次积分，得到位移信号。本实施例的五个测量通道相互独立，测量后分别进行处理。对车辆的仪表板、后视镜、扶手等零件进行测试时，一般采用加速度传感器比较方便实施。在目标工况下采集各通道的信号，采集时长根据具体的工况确定。在信号采集完毕后，初步检查信号是否异常。由于在恶劣的工况下，驾乘人员对零部件的抖动关注度降低，只需保留较低频率的振动分量。在进一步信号处理前，对每个通道的信号进行截止频率为20Hz的低通滤波。

S2. 将步骤S1得到的各通道信号分成长度为1秒的小段，用雨流计数法对每一段信号进行循环计数，并得到各个全循环的振幅，筛除振幅小于等于0.5mm的循环。

S3. 在步骤S2获得每段信号的筛选后的各循环的振幅后，分别对每一段的筛选后的循环计算振幅均方根值，作为每一段的有效振幅。然后针对每一通道绘制有效振幅-时间曲线，用于评价该通道在所测试的工况下的抖动情况。

实施例三。

本实施例测量的是交通工具后视镜或者外挂显示屏抖动的有效振幅。后视镜在行驶过程中往往带有转动方向上的抖动。这种抖动会在驾驶员看到的图像上放大，影响驾乘舒适性和安全性。列车、飞机上外挂的显示屏发生这些抖动时也会明显影响乘客的观看舒适性。针对这些被测件的有效振幅的测量方法，以被测件为扁平长方体为例，包括以下步骤。

S1. 按照图3所示，在被测件上布置3组测量通道：第一组为4个通道C1~C4，分别位于长方体最大平面的四角，测量方向垂直于被测件表面；第二组和第三组各为2个通道，分别为C5~C6和C7~C8，位于被测件的侧面和顶部的两端，测量方向垂直于被测件表面。测量传感器选用加速度传感器，测得的信号进行两次积分后得到位移信号。

在每个测试工况下测量1分钟。在信号采集完毕后，初步检查信号是否异常。由于驾乘人员的视觉对图像的抖动和转动更加敏感，需要保留更高频率的振动分量。在进一步信号处理前，对每个通道的信号进行截止频率为100Hz的低通滤波。

S2. 在步骤S1得到的各通道信号中分别截取5段，每段信号长度为5秒。可以通过对各通道的信号进行组合计算，得到被测件在空间三个坐标轴上的转动角度随时间变化的信号。例如设通道C1~C4测得的位移信号为x1~x4，通道C5~C6测得的位移信号为y1~y2，通道C7~C8测得的位移信号为z1~z2，C1测点到C2测点的距离及C3测点到C4测点的距离均为a，C1测点到C3测点的距离及C2测点到C4测点的距离均为b，C5测点到C6测点的距离为c，则可以通过以下方法计算被测件的转动：沿x轴旋转的角度α=arctan((y2-y1)/c)；沿y轴旋转的角度β=arctan(((x1+x4)-(x2+x3))/2/a)；沿z轴旋转的角度γ=arctan(((x3+x4)-(x1+x2))/2/b)。在每个方向上的平动振动则可以将该方向上的所有通道的信号进行算术平均，得到该方向上的平动振动信号。用雨流计数法对各个通道的信号或者组合计算得到的信号进行循环计数，并得到各个全循环的振幅。针对每个通道或者组合计算得到的信号，筛除振幅小于等于该通道或者组合计算得到的信号的最大全循环振幅的30%的循环。

S3. 在步骤S2获得每段信号的筛选后的各循环的振幅后，分别对每一段的所有筛选后的循环计算振幅均方根值。然后针对每一通道或者组合计算得到的信号，对各段得到的振幅均方根值计算算术平均值，作为该通道或者组合计算得到的信号的有效振幅。如果进行了不同速度或者不同工况下的测试，则需对各个速度或者各个工况分别计算有效振幅。

上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理，在不脱离本申请构思的情况下，还可以进行各种明显的变化、重新调整和替代，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种基于雨流计数法的随机振动有效振幅测量方法，其特征在于，包括步骤：

S1. 获得被测对象至少一个通道的时域振动信号；

S2. 用雨流计数法对每个通道测得的信号分别进行循环计数，得到各个全循环的振幅；

S3. 按通道分别计算步骤S2得到的所有全循环的振幅的均方根值，作为有效振幅，用于评价驾乘人员对被测对象抖动的视觉上的主观感受。

2.根据权利要求1所述的有效振幅测量方法，其特征在于，步骤S1所述的时域振动信号的测量采样频率在40至200Hz范围内。

3.根据权利要求2所述的有效振幅测量方法，其特征在于，所述的测量采样频率为60Hz。

4.根据权利要求1所述的有效振幅测量方法，其特征在于，步骤S1在测量时采样频率大于200Hz并且在测量后进行截止频率为20至100Hz的低通滤波。

5.根据权利要求4所述的有效振幅测量方法，其特征在于，所述的低通滤波的截止频率为30Hz。

6.根据权利要求1所述的有效振幅测量方法，其特征在于，步骤S2和S3之间还包括步骤S2a：对步骤S2得到的循环按测量通道进行筛选，将振幅小于阈值的循环删除，该阈值根据被测对象及测量目的确定。

7.根据权利要求6所述的有效振幅测量方法，其特征在于，所述步骤S2a的阈值在0.1至1mm范围内确定，或者根据对应的测量通道最大振幅的5%至50%范围内确定。

8.根据权利要求1至7中的任一项，其特征在于，步骤S1测量的随机振动信号通道数大于1个，并且这些通道组成1至3组：第1组的各通道测量方向平行且不在同一直线上；第2组的各通道测量方向平行且不在同一直线上，而且和第一组的各通道测量方向垂直；第3组的各通道测量方向平行且不在同一直线上，而且和第1组以及第2组的各通道测量方向均垂直；其中第一组测量通道布置的面为被测件面积或尺度最大的一个面；对各组测得的信号进行组合计算，得到被测对象在三维空间各个方向上的平动和转动振动信号。

9.根据权利要求8所述的有效振幅测量方法，其特征在于，计算有效振幅的信号长度为0.5至30秒。

10.根据权利要求9所述的有效振幅测量方法，其特征在于，计算有效振幅的信号长度为15秒。

11.根据权利要求9或10所述的有效振幅测量方法，其特征在于，将多于1段的信号分别进行计算后，再将计算结果进行算术平均，得到有效振幅。

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