CN114778051B - 飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法及应用，属于飞机测试技术领域。方法包括以下步骤：S1、设计激励样本；S2、形成实测参考谱；S3、形成实测激励载荷谱；S4、形成虚拟激励载荷谱；S5、设计人机环试验载荷谱。飞机垂向振动测试的试验载荷谱应用为：控制振动台根据人机环试验载荷谱进行振动，从而带动试验座椅振动，受试者根据个人主观体验对试验座椅舒适度进行打分。本发明解决了现有技术在人体振动舒适性试验上还处于空白阶段的问题，具有人机环试验覆盖情况全面、可靠性高的优点。

Description

飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法及应用
技术领域
本发明涉及飞机测试技术领域，具体是涉及飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法及应用。
背景技术
客机客舱舒适性设计是未来民机发展的重要指标，而客舱振动舒适性设计是其中重要一环。我国民机在客舱振动舒适性设计方面积累非常薄弱，和国外有着很大的技术差距。我国客机振动舒适性设计技术与国外相比存在明显差距，其中的主要问题之一是缺乏客机专用的振动舒适性评价标准。
目前，人体振动舒适性相关的认可度较广泛的通用标准主要为国际标准组织颁发的ISO2631-1997。在ISO 2631中，坐姿规定使用3个主要区域：座椅支撑面、座椅-靠背处和放脚处。座椅支撑面的测量应当在坐骨突起部位的下面，座椅-靠背处的测量应当在支撑人体的主要区域进行，放脚处的测量应当为常用支撑面。对于全身振动以坐姿状态暴露时，Z向采用W_k计权、Y向采用W_d计权、X向采用W_d计权。
然而将这些标准应用于客机舱室环境振动舒适性评价时，依然存在一些问题。而这些问题的主要原因就是缺乏飞机垂向振动测试的试验载荷谱。
飞机在飞行时，由于飞行环境、飞行状态等多种原因，往往导致客舱内座椅发生不同程度的振动，尤其是在飞机发生垂向振动的情况下，座椅振动的情况更为明显，导致不同位置座椅的舒适度大大下降。所以在利用标准提供的评价方法评估我国某型支线客机后机身区域人体振动舒适性时，虽然得出了“感觉不到不舒适”的结论，但这一座椅区域乘客普遍抱怨振动感明显，出现评估结论与人体主观感受不一致的情况。
客舱振动舒适性评价方法是客舱振动舒适性设计的基础，亟需开展客机客舱环境振动舒适性试验方法和评价方法研究。飞机舱室环境振动舒适性评价方法需要进行人体振动舒适性试验方法研究。但我国在此方面还处于空白，因此急需开展相关研究工作，支持我国客机客舱振动舒适性设计专业发展。
发明内容
本发明解决的技术问题是：现有技术在客机人体振动舒适性试验上还处于空白阶段，急需开展相关研究工作，支持我国客机客舱振动舒适性设计专业发展。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法，包括以下步骤：
S1、设计激励样本；
S2、获取各个激励样本对应试验座椅的每组信号，形成实测参考谱，并对比分析每组信号特征值，每组信号在激励样本开始和结束时各包含0.5s的余弦衰减；
S3、为了使振动台能准确的回放振动激励信号，对步骤S2获取的每组信号进行预处理，形成实测激励载荷谱，具体包括以下步骤：
S3-1、使用截止频率为1~5Hz的高通滤波器和截止频率为200~400Hz的低通滤波器对每组信号进行时域滤波处理，
S3-2、分别对每组信号在激励样本开始和结束0.5s内的信号做余弦衰减，使余弦衰减后的每组信号更符合振动台实际运行的信号，
S3-3、通过重采样，将每组信号的采样频率降低至振动台最大频率之内，形成实测激励载荷谱；
S4、根据人体振动特性滤波加调节幅值方法，以振动加速度的幅值为阶梯扩增激励样本，形成虚拟激励载荷谱；
S5、设计人机环试验载荷谱，具体包括以下步骤：
S5-1、设计与每个激励样本对应的试验状态，每个试验状态由试验激励信号段和零点白噪声信号段组成，所述试验激励信号段由实测激励载荷谱和虚拟激励载荷谱中与激励样本对应的信号组成，
S5-2、按照飞机的飞行工况顺序将所有试验状态组成第一试验载荷谱，
S5-3、将第一试验载荷谱的所有试验状态打乱，重新组合后生成第二试验载荷谱，
S5-4、将步骤S5-3生成的第二试验载荷谱裁剪为数个载荷试验段，得到第三试验载荷谱，其中，每个载荷试验段间隔1~3min，间隔期间释放白噪声信号，
S5-5、在第三试验载荷谱前设计并拼接数段预试验载荷谱，得到第四试验载荷谱，将第四试验载荷谱作为飞机垂向振动测试的试验载荷谱。
进一步地，步骤S1中激励样本由座椅位置及飞行工况组合而成，座椅位置及飞行工况组合几乎能够覆盖飞机客舱内的所有情况。
进一步地，座椅位置包括：前舱、中舱和后舱，因此，覆盖了飞机客舱内所有座椅情况，由于不同舱室座椅位置在飞机不同飞行工况下加速度存在较大差异，因此，选取不同位置的座椅使得人机环试验更有全面性。
进一步地，沿垂向振动方向，所述飞行工况包括：滑跑、起飞、爬升、巡航、下降、着陆和滑行，几乎涵盖了飞机的所有飞行状态。
更进一步地，步骤S2中，信号特征值包括：振动加速度、最大频率成分及幅值，以上参数能够全面体现出不同试验座椅的振动情况。
优选地，步骤S2中，每组信号时间长度为10~12s，使得最终组成的试验载荷谱时长不至于使受试者过度疲倦。
优选地，步骤S2中试验座椅的每组信号采用飞机实测的座椅后角振动信号，座椅后角为座椅同机身连接的刚性支撑点，座椅后角振动信号能够真实地反映飞机舱室环境的振动特性。
本发明还提供飞机垂向振动测试的试验载荷谱应用，基于上述飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法确定的人机环试验载荷谱，具体包括以下步骤：
S1、将试验座椅固定在振动台上，受试者按照人机环试验安排就座；
S2、振动台根据人机环试验载荷谱进行振动，从而带动试验座椅振动，受试者根据个人主观体验对试验座椅舒适度进行打分。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过分析飞行实测数据特征，对比不同舱室座椅位置，不同飞行工况的振动加速度、最大频率成分以及幅值等信息，从而选取载荷谱设计的实测参考谱，贴合现有飞机的实际工作及客舱情况，更具有可靠性；
（2）本发明考虑到实地飞行测试数据不能涵盖通用标准中的所有量值，通过对载荷谱量级进行缩放来编制虚拟载荷谱，以满足舒适性试验对不同量值载荷谱的需求，使得人机环试验的舒适度覆盖范围更广。
附图说明
图1是实施例1飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法流程图；
图2是实施例1步骤S3-1滤波前后的时域信号对比图；
图3是实施例1步骤S5-2得到的飞测工况顺序载荷谱图；
图4是实施例1步骤S5-5试验载荷谱的设计编制图；
图5是实施例1步骤S4在W_k计权后的飞测工况顺序与步骤S5-5得到第四试验载荷谱的试验量级对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述……，但这些……不应限于这些术语。这些术语仅用来将……区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一……也可以被称为第二……，类似地，第二……也可以被称为第一……。
实施例1
飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、设计激励样本，激励样本由座椅位置及飞行工况组合而成，座椅位置包括：前舱、中舱和后舱，沿垂向振动方向，此处为沿Z轴振动方向，飞行工况包括：滑跑、起飞、爬升、巡航、下降、着陆和滑行，因此，激励共包含了Z轴振动方向的7组飞行工况、3组座椅位置组合后的21个激励样本；
S2、获取各个激励样本对应试验座椅的每组信号，试验座椅为航空座椅，形成实测参考谱，并对比分析每组信号特征值，信号特征值包括：振动加速度、最大频率成分及幅值，每组信号在激励样本开始和结束时各包含0.5s的余弦衰减，激励样本对应的每组信号时间长度为10s，试验座椅的每组信号采用飞机实测的座椅后角振动信号，座椅后角为座椅同机身连接的刚性支撑点；
S3、为了使振动台能准确的回放振动激励信号，对步骤S2获取的每组信号进行预处理，形成实测激励载荷谱，具体包括以下步骤：
S3-1、使用截止频率为1Hz的高通滤波器和截止频率为200Hz的低通滤波器对每组信号进行时域滤波处理，滤波前后的时域信号对比如图2所示，
S3-2、分别对每组信号在激励样本开始和结束0.5s内的信号做余弦衰减，使余弦衰减后的每组信号更符合振动台实际运行的信号，
S3-3、通过重采样，将每组信号的采样频率降低至振动台最大频率之内，形成实测激励载荷谱；
S4、根据人体振动特性滤波加调节幅值方法，以振动加速度的幅值为阶梯扩增激励样本，形成虚拟激励载荷谱，具体为：
对21个激励样本计算W_k计权后加速度RMS，分为5组幅值水平（W_k计权后加速度RMS分别为2m/s2、1.4159m/s2、1.0024m/s2、0.7096m/s2、0.5024m/s2），以-3db（每组相差0.708倍）为一个阶梯进行递减，得到包括105个激励样本的虚拟激励载荷谱，计权完成后，进行5组幅值水平的量值缩放，依据每组信号时间为10s的设定，对数据长度进行裁剪，其中采样频率为5120Hz，则单个激励样本长度为51200个采样点；
S5、设计人机环试验载荷谱，具体包括以下步骤：
S5-1、设计与每个激励样本对应的试验状态，每个试验状态由试验激励信号段和零点白噪声信号段组成，所述试验激励信号段由实测激励载荷谱和虚拟激励载荷谱中与激励样本对应的信号组成，其中，每个试验状态总持续时间为20s，包括10s的试验激励信号和10s的零点白噪声信号，
S5-2、按照飞机的飞行工况顺序将所有试验状态组成第一试验载荷谱，具体为：按飞行工况顺序组合21组实测激励载荷谱和105组虚拟激励载荷谱，得到的飞测工况顺序载荷谱如图3所示，
S5-3、将第一试验载荷谱的所有试验状态打乱，运用MATLAB中randperm函数将1-126正整数随机排列，重新组合后生成第二试验载荷谱，
S5-4、将步骤S5-3生成的第二试验载荷谱裁剪为三个载荷试验段，得到第三试验载荷谱，其中，每个载荷试验段间隔1min，用于人机环试验期间受试人员间歇休息，间隔期间释放白噪声信号，每个载荷试验段包括42组激励样本（代号分别为：1~42、1A~42A、1B~42B），
S5-5、在第三试验载荷谱前设计并拼接6段预试验载荷谱，得到第四试验载荷谱，将第四试验载荷谱作为飞机垂向振动测试的试验载荷谱，试验载荷谱的设计编制如图4所示，步骤S4在W_k计权后的飞测工况顺序和第四试验载荷谱的试验量级对比如图5所示，用以提示受试人员对整个载荷谱的安全感知，不至于人机环试验造成受试人员情绪过分紧张而影响不舒适度的评价，且预试验阶段不用于主观评价和打分。
实施例2
本实施例与实施例1的区别之处在于：
步骤S2中，激励样本对应的每组信号时间长度为12s，
步骤S3-1中，使用截止频率为5Hz的高通滤波器和截止频率为400Hz的低通滤波器对每组信号进行时域滤波处理，
步骤S5-4中，每个载荷试验段间隔3min。
实施例3
本实施例记载的是飞机垂向振动测试的试验载荷谱应用，基于实施例1飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法确定的人机环试验载荷谱，包括以下步骤：
S1、将试验座椅固定在振动台上，受试者按照人机环试验安排就座；
S2、振动台根据人机环试验载荷谱进行振动，从而带动试验座椅振动，受试者根据个人主观体验对试验座椅舒适度进行打分。

Claims (8)

1.飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设计激励样本；
S2、获取各个激励样本对应试验座椅的每组信号，形成实测参考谱，并对比分析每组信号特征值，每组信号在激励样本开始和结束时各包含0.5s的余弦衰减；
S3、为了使振动台能准确的回放振动激励信号，对步骤S2获取的每组信号进行预处理，形成实测激励载荷谱，具体包括以下步骤：
S3-1、使用截止频率为1~5Hz的高通滤波器和截止频率为200~400Hz的低通滤波器对每组信号进行时域滤波处理，
S3-2、分别对每组信号在激励样本开始和结束0.5s内的信号做余弦衰减，使余弦衰减后的每组信号更符合振动台实际运行的信号，
S3-3、通过重采样，将每组信号的采样频率降低至振动台最大频率之内，形成实测激励载荷谱；
S4、根据人体振动特性滤波加调节幅值方法，以振动加速度的幅值为阶梯扩增激励样本，形成虚拟激励载荷谱；
S5、设计人机环试验载荷谱，具体包括以下步骤：
S5-1、设计与每个激励样本对应的试验状态，每个试验状态由试验激励信号段和零点白噪声信号段组成，所述试验激励信号段由实测激励载荷谱和虚拟激励载荷谱中与激励样本对应的信号组成，
S5-2、按照飞机的飞行工况顺序将所有试验状态组成第一试验载荷谱，
S5-3、将第一试验载荷谱的所有试验状态打乱，重新组合后生成第二试验载荷谱，
S5-4、将步骤S5-3生成的第二试验载荷谱裁剪为数个载荷试验段，得到第三试验载荷谱，其中，每个载荷试验段间隔1~3min，间隔期间释放白噪声信号，
S5-5、在第三试验载荷谱前设计并拼接数段预试验载荷谱，得到第四试验载荷谱，将第四试验载荷谱作为飞机垂向振动测试的试验载荷谱。
2.如权利要求1所述的飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法，其特征在于，所述步骤S1中激励样本由座椅位置及飞行工况组合而成。
3.如权利要求2所述的飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法，其特征在于，所述座椅位置包括：前舱、中舱和后舱。
4.如权利要求2所述的飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法，其特征在于，沿垂向振动方向，所述飞行工况包括：滑跑、起飞、爬升、巡航、下降、着陆和滑行。
5.如权利要求1所述的飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，试验座椅为航空座椅。
6.如权利要求1所述的飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，信号特征值包括：振动加速度、最大频率成分及幅值。
7.如权利要求1所述的飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，每组信号时间长度为10~12s。
8.如权利要求1所述的飞机垂向振动测试的试验载荷谱确定方法，其特征在于，所述步骤S2中试验座椅的每组信号采用飞机实测的座椅后角振动信号，所述座椅后角为座椅同机身连接的刚性支撑点。
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