CN113639945B - 基于经验模态分解的航天器随机振动试验条件设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂动力学环境条件下的时频转换技术，具体是基于经验模态分解方法，将复杂时域动力学环境转换为频域动力学环境，真实反应实际的力学环境特征，同时便于地面开展动力学环境模拟试验，提升产品总体设计水平，可适用于运载火箭、航天器、交通运输、机械制造等领域的动力学环境试验条件设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂动力学环境条件下的时频转换，具体是基于经验模态分解方法，将复杂时域动力学环境转换为频域动力学环境，真实反应实际的力学环境特征，同时便于地面开展动力学环境模拟试验，提升产品总体设计水平，可适用于运载火箭、航天器、交通运输、机械制造等领域的动力学环境试验条件设计。
背景技术
产品在工作期间都会经历各种各样的复杂动力学环境，为保证产品能够经历复杂的动力学环境后能够正常工作，需在地面开展相应的动力学环境模拟试验。例如，卫星等航天产品在工作前需经历运载发射段的复杂动力学环境，为验证产品的设计能力，需要在地面开展正弦振动、随机振动等动力学环境模拟试验，以考核产品承受复杂动力学环境的能力。
目前在复杂力学环境的随机振动试验条件设计方法上，通常在信号平稳性假设的基础上，将加速度时域信号进行自功率谱密度分析，再进行傅里叶变换从而得到加速度功率谱密度函数，并以此制定对应的随机振动试验条件。然而，在现实生活中，真实的平稳性假设并不完全成立，并且很多时候信号往往是非平稳。例如，航天器在发射阶段所受到的环境激励因素很多，包括大气层内(特别是跨音速段)的气动载荷、级间和整流罩分离过程的火工品冲击、星箭分离过程的包带解锁冲击，更广泛地还包括航天器的对接/分离的动态冲击，这些激励具有阶段性、也具有随机性，属于非平稳的随机过程。
对于非平稳随机振动的力学环境，一般认为采用基于谐波函数的经典傅立叶分析方法存在较为明显不足。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出基于经验模态分解的随机振动试验条件设计系统及方法，该方法采用小波分析、经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)信号处理方法，由于EMD方法不需设定先验的基函数，因此更适合运载火箭星箭界面加速度此类多因素造成的非平稳随机振动过程。
采用EMD分解制定随机振动试验条件，能够拓展对信号平稳性假设的外延，能够更加真实的反应产品所处的动力学环境特征，制定合理的随机振动试验条件，一定程度上能够避免严重的“过设计”和“过试验”现象，有利于改善产品力学环境模拟试验方法，提高我国航空航天产品的设计水平。将复杂时域动力学环境转换为频域动力学环境，真实反应实际的力学环境特征，便于地面开展动力学环境模拟试验，改善产品地面动力学环境模拟“过试验”程度，提升产品总体设计水平。
基于经验模态分解的随机振动试验条件设计系统，该系统包括经验模态分解模块、功率谱密度分析模块、频率累加合成模块和振动试验条件制定模块；
经验模态分解模块用于对动力学环境下航天器的加速度时域信号a1(t)进行经验模态分解；
功率谱密度分析模块用于将N阶本征模态函数进行功率谱密度分析，得到各本征模态函数对应的功率谱密度函数；
频率累加合成模块用于将N阶本征模态函数对应的功率谱密度函数按照对应频率累加原则进行合成，得到原始加速度时域信号a1(t)所对应的功率谱密度函数；
振动试验条件制定模块用于根据合成的功率谱密度函数制定随机振动试验条件。
功率谱密度分析模块依次对每个不同尺度的数据序列进行处理，得到每个时间序列的功率谱密度函数；
频率累加合成模块对每个时间序列的功率谱密度合成按照下式进行：
基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法，该方法的步骤包括：
步骤1，对动力学环境下航天器的加速度时域信号a1(t)进行经验模态分解(EMD)，其中得到N阶本征模态函数IMFi(i＝1,2,…N)，其中t为时间；
步骤2，将步骤1得到的N阶本征模态函数IMFi分解进行功率谱密度分析，得到各本征模态函数IMFi对应的功率谱密度函数PSDi(i＝1,2,…N)，其中N确定原则为当第N+1阶本征模态函数对应功率谱密度函数PSDN+1在关心频率下限fmin以上范围内总均方根不超过PSDN+1在全频段范围内总均方根的5％时，则进行经验模态分解时可保留N阶本征模态函数；
步骤3，将N阶本征模态函数对应的功率谱密度函数PSDi按照对应频率累加原则进行合成，得到原始加速度时域信号a1(t)所对应的功率谱密度函数PSD；
步骤4，根据合成的功率谱密度函数PSD制定随机振动试验条件。
优选地，所述步骤1中，采用EMD分解的信号处理方法，实现将复杂力学环境表述为具有不同特征尺度的数据序列。
优选地，所述步骤2中，依次对每个不同尺度的数据序列进行处理，得到每个时间序列的功率谱密度函数；
优选地，所述步骤3中，每个时间序列的功率谱密度合成按照下式进行：
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法，应用EMD信号分解方法，能够适用于非平稳复杂力学环境的场景，拓展了传统随机振动试验条件方法的适用外延，更加真实反应产品所处的动力学环境特征，一定程度上能够避免严重的“过设计”和“过试验”现象，有利于改善产品力学环境模拟试验方法，提高我国航空航天产品的设计水平。
(2)本发明的基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法，通过对加速度随机振动信号进行经验模态分解，将原始信号逐级分解为不同频率与变化趋势的成分，产生一系列具有不同特征尺度的数据序列，对每一个数据序列分别进行功率谱密度分析，进行合成从而得到完整频段的功率谱密度，并基于合成后的功率谱密度制定随机振动试验条件。与传统直接进行功率谱分析的方法相比，该方法不仅限于处理平稳随机振动的力学环境，拓展了随机振动试验条件设计的适用外延，能够更加真实反应真实力学环境特征，可应用于运载火箭、航天器、交通运输、机械制造等领域的动力学环境试验条件设计。
附图说明
本发明的基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法由以下的实施例及附图给出。
图1是某产品在工作过程中，连接界面的非平稳随机加速度时域信号；
图2是对图1加速度信号进行经验模态分解得到N阶本征模态函数；
图3是各本征模态函数对应的功率谱密度函数；
图4是对各本征模态函数进行合成后的功率谱密度函数；
图5是依据合成后的功率谱密度函数制定的随机振动试验条件。
具体实施方式
以下将结合图1-图5对本发明的基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法作进一步的详细描述。
为了达到上述的目的，本发明提供基于经验模态分解的随机振动试验条件设计系统，该系统包括经验模态分解模块、功率谱密度分析模块、频率累加合成模块和振动试验条件制定模块；
经验模态分解模块用于对动力学环境下航天器的加速度时域信号a1(t)进行经验模态分解；
功率谱密度分析模块用于将N阶本征模态函数进行功率谱密度分析，得到各本征模态函数对应的功率谱密度函数；
频率累加合成模块用于将N阶本征模态函数对应的功率谱密度函数按照对应频率累加原则进行合成，得到原始加速度时域信号a1(t)所对应的功率谱密度函数；
振动试验条件制定模块用于根据合成的功率谱密度函数制定随机振动试验条件。
功率谱密度分析模块依次对每个不同尺度的数据序列进行处理，得到每个时间序列的功率谱密度函数；
频率累加合成模块对每个时间序列的功率谱密度合成按照下式进行：
基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法，包括如下步骤：
步骤1，对动力学环境下航天器的加速度时域信号a1(t)进行经验模态分解(EMD)得到N阶本征模态函数IMFi(i＝1,2,…N)；
步骤2，将N阶本征模态函数IMFi分解进行功率谱密度分析，得到各本征模态函数IMFi对应的功率谱密度函数PSDi(i＝1,2,…N)；
步骤3，将N阶本征模态函数对应的功率谱密度函数PSDi按照对应频率累加原则进行合成，得到原始加速度时域信号a1(t)所对应的功率谱密度函数PSD；
步骤4，根据合成的功率谱密度函数PSD制定随机振动试验条件。
下面，针对本实施例的基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法做具体说明。包括如下步骤：
步骤1，对动力学环境下的加速度时域信号a1(t)，如图1所示，进行经验模态分解(EMD)得到N阶本征模态函数IMFi(i＝1,2,…N)，如图2；
步骤2，将N阶本征模态函数IMFi分解进行功率谱密度分析，得到各本征模态函数IMFi对应的功率谱密度函数PSDi(i＝1,2,…N)，如图3；
步骤3，将N阶本征模态函数对应的功率谱密度函数PSDi按照对应频率累加原则进行合成，得到原始加速度时域信号a1(t)所对应的功率谱密度函数PSD，如图4所示；
步骤4，根据合成的功率谱密度函数PSD制定随机振动试验条件，如图5所示。
本发明涉及复杂动力学环境条件下的时频转换技术，目的在于针对传统随机振动试验条件制定方法要求加速度为平稳随机信号的限制，提供了一种适用于非平稳随机的随机振动试验条件设计方法，拓展了复杂力学环境条件下随机振动试验条件设计的应用场景，提升了模拟复杂力学环境的合理性，可应用于运载火箭、航天器、交通运输、机械制造等领域的地面随机动力学环境模拟试验的条件设计。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.基于经验模态分解的随机振动试验条件设计系统，其特征在于：该系统包括经验模态分解模块、功率谱密度分析模块、频率累加合成模块和振动试验条件制定模块；
经验模态分解模块用于对动力学环境下航天器的加速度时域信号a1(t)进行经验模态分解；
功率谱密度分析模块用于将N阶本征模态函数进行功率谱密度分析，得到各本征模态函数对应的功率谱密度函数；
频率累加合成模块用于将N阶本征模态函数对应的功率谱密度函数按照对应频率累加原则进行合成，得到原始加速度时域信号a1(t)所对应的功率谱密度函数；
振动试验条件制定模块用于根据合成的功率谱密度函数制定随机振动试验条件；
其中，N的确定方法为：当第N+1阶本征模态函数对应功率谱密度函数PSDN+1在关心频率下限fmin以上范围内总均方根不超过PSDN+1在全频段范围内总均方根的5％时，则进行经验模态分解时保留N阶本征模态函数。
2.根据权利要求1所述的基于经验模态分解的随机振动试验条件设计系统，其特征在于：
功率谱密度分析模块依次对每个不同尺度的数据序列进行处理，得到每个时间序列的功率谱密度函数。
3.根据权利要求1所述的基于经验模态分解的随机振动试验条件设计系统，其特征在于：
频率累加合成模块对每个时间序列的功率谱密度合成按照下式进行：
4.基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法，其特征在于该方法的步骤包括：
步骤1，对动力学环境下航天器的加速度时域信号a1(t)进行经验模态分解，得到N阶本征模态函数IMFi，i＝1,2,…N，其中t为时间；
步骤2，将步骤1得到的N阶本征模态函数IMFi进行功率谱密度分析，得到各阶本征模态函数IMFi对应的功率谱密度函数PSDi，i＝1,2,…N；
步骤3，将步骤2得到的将各阶本征模态函数对应的功率谱密度函数PSDi按照对应频率累加原则进行合成，得到原始加速度时域信号a1(t)所对应的功率谱密度函数PSD；
步骤4，根据步骤3合成的功率谱密度函数PSD制定随机振动试验条件；
其中，N的确定方法为：当第N+1阶本征模态函数对应功率谱密度函数PSDN+1在关心频率下限fmin以上范围内总均方根不超过PSDN+1在全频段范围内总均方根的5％时，则进行经验模态分解时保留N阶本征模态函数。
5.根据权利要求4所述的基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法，其特征在于：
所述步骤2中，依次对每个不同尺度的数据序列进行处理，得到每个时间序列的功率谱密度函数。
6.根据权利要求4所述的基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法，其特征在于：
所述步骤3中，每个时间序列的功率谱密度合成按照下式进行：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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