1、振动环境试验仿真平台中数据再现系统的实现第 37 卷增刊2002 年 11 月西南交通大学JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYVo1.37NOVSuppl2002文章编号:0258-2724(2002)S-0080-04振动环境试验仿真平台中数据再现系统的实现彭芳,牛宝良,曾敏,王宇,唐定勇,宋琼(1.中国工程物理研究院计算机应用研究所,四川绵阳 621900:2.中国工程物理研究院结构力学研究所,四 J绵阳 621900)摘要:介绍了振动环境试验仿真平台中数据再现系统的总体设计方案 ,系统功能,关键技术及系统特点.该系统实现了不同试验采集平台获取的数据和不
2、同仿真计算平台的结果数据,在同一平台上的可视化直观比较,分析,校验和映射.为产品试验人员,产品设计人员开展产品性能分析,试验分析等提供了通用,方便的集成环境.关键词:振动试验;模拟试验;数据再现中图分类号:TM312;0322 文献标识码:ADesignandImplementationofDataReappearanceSysteminSimulationPlatformforVibrationEnvironmentTestPENGFang,NIUBaoliang,ZENGMin,WANG,TANGDingyong,SONGQiong(1.Inst.ofComputerApp1.ofChin
3、aAcademyofEng.Physics,Mianyang621900,China;2.Inst.ofStructureMechanicsofChinaAcademyofEng.Physics,Mianyang621900,China)Abstract:Thispaperintroducesthegeneraldesignconcept,thefunctionandthekeytechniquesofsystemimplementationandthesystemcharacteristicsofdatareappearancesysteminsimulationplatformforvib
4、rationenvironmenttest.Datafromdifferenttestcollectionplatformsanddifferentsimulationcalculationplatformsarevisualizated,compared,erroranalysed,checkedandmappedinthissystem.Theplatformprovidesgeneralandconvenientusageofperformanceandtestanalysisforproductdesignerandtester.Keywords:vibrationtests;simu
5、lationtests;datareappearance振动实验流程如图 1 所示.鉴于振动环境适应性评估在武器工程研制中的重要性,振动环境试验仿真平台拟对振动环境工程中的建模技术,试验再现技术,模型修正技术及计算机仿真,集成技术进行研究,最终建立一个面向设计人员和试验人员,能基本模拟振动环境试验的实用工程仿真系统平台,以提高振动收稿日期:2o02_0810作者简介:(1969 一), 女,工程师 ,硕士图 1 振动试验流程图增刊彭芳等:振动环境试验仿真平台中数据再现系统的实现 81环境工程试验的工作效率,试前的预测能力,试后的分析能力并降低试验风险.根据振动流程,振动环境试验仿真平台结构示意
6、图如图 2 所示.图 2 振动环境试验仿真平台结构示意图数据再现系统是可视化系统的重要组成部分,在整个平台中完成实验,仿真数据再现,分析,统计,总结等功能,为环境振动试验人员提供在计算机上的仿真试验平台,提高试验分析能力和试验效率.1 总体设计方案及系统功能在数据再现系统中,数据来自振动环境试验仿真平台中的两个方面,一个是仿真计算,一个是在振动台上进行振动试验测量.对这些数据再现的真实程度,是对仿真计算与试验结果可信度的衡量,这主要取决于数据处理算法.基于以上原则,总体设计框图如图 3所示.数据再现系统的主要功能如下 g(1)信号选择: 由用户选择数据源及处理方法 ,并从数据库中提取相应数据;
7、(2)数据处理: 数据处理仅指响应数据的处理 .对应仿真计算,响应数据就是各节点的加速度响应谱,它已经是频域数据.随机激励时,数据形式是加速度功率谱密度(PSD).对于这类数据,可以进行的处理有:计算位移 PSD,计算速度 PSD,计算加速度均方根,峰值,谷值,相干函数,传递函数等.图 3ed,体设计框图正弦扫频激励时,数据形式是加速度频率响应函数.对于这类数据,可以进行的处理有:计算速度频率响应函数,计算位移频率响应函数,找峰值,找谷值,传递函数,放大倍数等.试验数据形式是响应的时域波形.对于正弦试验,可以进行的处理有:波形观察,计算频谱(4,D),均方根值,概率密度,自相关,互相关等.对于
8、随机试验,可以进行的处理有:波形观察,计算 PSD(A,V,D),均方根值,概率密度,自相关,互相关,传递函数等 0.对于随机振动试验,数据处理的时频转换按照下面的过程进行时域数据一分段一加窗一 FFT 一频域一多段 PSD 一平均一 PSD 一施加随机相位一频域一 FFT 一时域数据.分段时应按照 FFT 要求的长度比如 1024 或 2048 等来进行 .到最后一段时,从最末点向前选取要求的长度,这种重复不会影响结果.加速度 PSD,速度 PSD,位移 PSD 转换关系(:圣 A(:盆:10-6gg式中:(的单位为 g2/Hz;(单位为(m/s)/Hz;D(的单位为 mm/Hz.通过频域计
9、算加速度均方根,速度均方根,位移均方根A2.A(/)df( 厂)dfD2D(df对于正弦振动试验,数据处理的时频转换可以有几种办法:82 西南交通大学第 37 卷时域直接法.时域数据一分段一频率,幅值识别.需要多少个频率点就分多少段.选择每段的最中间的一个周期,识别其周期长度(取倒数就是频率),峰峰值,有效值.如果是对数扫频,等长度分段,得到的频谱低频密,高频稀.想得到等间隔的频谱,则数据长度就应该是按照等比级数关系减少.具体计算时,可从高频向低频分段,以免高频段的长度太短.以扫频速率 1oct/rain 为例,从 1995Hz 扫到 2000Hz,所用时间(0.00361125/1)60=0
10、.21667S,高频段第一段数组长度就为 0.21667采样频率.如果采样频率为 20000,则长度为 4333.第二段数组长度 43332.唧“=4343.其它依次类推.如果是线性扫频,等长度分段,得到的频谱是等间隔的.分段 FFT 法.时域数据一分段一加窗一 FFT 一频域一峰值保持 .由于 FFT 一般采用小点数 ,比如 1024,2048,4096,但是一次正弦扫频的数据可大几MB,所以必须分段进行.但是分段后,每段只能反映一小段频率范围的幅值,还需要把多段频域数据合成为一个完整的频域谱形,这里采用的办法是峰值保持法,即把各个频率的最大值保留.分段时,要按照预先选择的长度来分,最后一段
11、很可能不是 1024 或 2048,这时可以选取最后的 1024或 2048 点数据,也就是说允许最后一段与前面邻近数据重复.整体 FFT 法.随着计算机软 ,硬件能力的提高,可以建立几 MB 数据的数组,这为进行长数组的整体 FFT 计算创造了条件,这种方法可能要比较长的时间,优点是分辨率高,时频完全相互转换.首先要使数组点数满足 FFT 要求.数据点数多于 275%时,补零,使数据点数为 2“.采样频率不变 .数据点数少于 275%时,重采样,使数据点数为 2.采样间隔增加,采样频率降低.重采样的算法:设原数组为(i),i=0,采样间隔为.设新数组为:(i:),i=0,采样间隔为 2.L2
12、=2 一一 1,2=1L1/L2.第 i 点对应时刻为 i,第 i:点对应时刻为 i2:,如果 i:落在 i 和(i+1)之间,则有如下关系:int()(i2):X1()(+1)一 3C1(),1,01时域数据一 FFT 一频域数据正弦加速度 ,速度,位移关系(:2fV(f)(:10-3.g.g式中:(的单位为 g;(单位为 m/s;D(/)的单位为 mm.(3)信号显示: 接受数据处理模块的处理数据 ,可进行不同的分析,比较.统计:RMS,最大,最小值,均值,峰峰值,单光标,双光标,谐波,峰值等.分析,比较:两种数据的误差分析,包括:PSD 误差曲线(相减,比值),共振频率误差,RMS 误差
13、等.量级映射:从已知量级的自谱函数获取其它量级的映射数据,为用户预测估计提供依据,算法如下.试验已测量如下数据:随机激励(0.01) 下,已测得点的响应),(t), 频响 Y(,功率谱 Ls.(;随机激励(0.01) 下,已测得点的响应 Y:(t),频响 Y(,功率谱 Ls,(;利用数据,先求出(】,(/X(;利用数据,再求出(Ls(/)互谱/Ls(/) 自谱;利用数据,再求出(Ls(/)自谱/Ls(/) 自谱;利用和公式(1)数据,求出(日(_Y:(;利用和公式(2)数据,求出 Ls(/)(Ls(;利用和公式(3)数据,求出 Ls(,(Ls(.数据输出及文档生成:给用户提供输出数据的接口及提
14、供生成 word 文档的功能.图例:由于图形窗口数据多,为了区分数据,提供图例:颜色,宽度,图线名称 ,数据源等信息一. 例子如图 4 所示增刊彭芳等:振动环境试验仿真平台中数据再现系统的实现 83图 4 数摧再现结果图2 关键技术及系统特点(1)关键技术. 信号处理技术完成时域到频域信号的转换及数据处理方法.误差分析技术提供信号问的误差分析.可视化技术完成仿真计算模型的兰维可视化显示及多种数据源的再现.(2)系统特点. 数据的多源性.数据源包括试验数据和仿真计算结果数据.对实验数据又包括两种平台的采集数据;对仿真结果数据也来源于两种力学仿真软件 :ANSYS,Nastran.对这些不同来源的
15、数据文现在同平台中的再现显示.数据处理类型的多样化.数据再现系统不仅对单信号处理,还可进行多信号处理及加速度,速度,位移之问的转换.数据分析,比较手段的多种化,数据再现系统中涉及的分析,比较功能基本上把现有的相关软件的相应功能进行 r 集中,方法较为完善,使用最为方便,具有现有相关软件无法比拟的优点.良好的工程应用价值.正是由于以上关于本子系统的数据多源性,处理类型的多样性,分析和比较功能的多种性等特点,给试验人员和设计人员进行产品性能分析,试验分析等提供可靠依据,使数据再现系统具有实际的应用价值优良的通用性和可移植性.试验再现系统在设计时考虑了不同项目,条件的数据接口,并按照软件工程设计的原
16、则.在考虑到系统模块化设计的同时,把面向对象程序设计想运用到系统的设计中,从而增加了系统的通用性和可移植性,提高了二次开发的效率直观,主动的表现形式.为达到真实形象的再现结果,本系统运用了图形,文字等表现形式,直观,准确地表现出某条件下的数据再现结果.振动环境试验仿真平台中数据再现系统不仅实现了对试验数据和仿真计算数据分别进行处理,变换,分析,管理及再利用的功能,同时提供对两种数据进行比较,分析,误差分析和利用两种结果进行映射,自动生成振动试验报告等等功能,为产品试验人员,产品设计人员开展产品性能分析,试验分析等工作提供了通用,直观,方便的集成环境,因此该系统具有极大的实际应用价值.参考文献:1P.A.林恩.信号分析与处理导论M.武汉:字航出版 l上,1990:108.120.2:陈行袜,秦永元.信号分析与处理M.北京:北京航空航天大学出版社,1993:238254.f3 雷邵辰 .BorlandC+5 面 r 口对象程序设计及应用M. 武汉:华中理工大学出版社,1998:3353604 止惠康 .BorlandC+Builder 实用编程技术M 北京 :中国水利水电出版社,1999:357.367.
