基于hilmann邊際譜的強(qiáng)化道路載荷譜信號分析

基于hilmann邊際譜的強(qiáng)化道路載荷譜信號分析

0基于holwell-東南角的非平穩(wěn)載荷譜特征分析方法內(nèi)道路模擬測試是測量和驗(yàn)證車輛可靠性的重要手段。在單元一的模擬車輛行駛中，可以獲得非常準(zhǔn)確的路面激勵(lì)。它具有連續(xù)性好、試驗(yàn)周期短的優(yōu)點(diǎn)，不僅減少了人力和財(cái)力，也越來越受汽車制造商的喜愛。為了獲得道路模擬試驗(yàn)器的位移激勵(lì)信號，必須獲取能夠反映車輛實(shí)際行駛中負(fù)荷信息的目標(biāo)信號（以下簡稱負(fù)荷譜）。然而，在車輛的現(xiàn)場采集中，由于駕駛員的駕駛習(xí)慣、實(shí)際行駛速度的不穩(wěn)定性、測量儀器的不規(guī)則性、駕駛環(huán)境中的騎力、傾斜力和駕駛員的效率等因素的影響，混合了不同的噪聲因子，從而使載荷譜信號的非穩(wěn)定特征。Hilbert-Huang變換(Hilbert-HuangTransform,HHT)是由美籍華人黃鍔博士等提出的一種全新的分析非平穩(wěn)非線性信號的時(shí)頻分析方法,具有簡單高效、自適應(yīng)性強(qiáng)、高分辨率等優(yōu)點(diǎn).Hilbert邊際譜是原始非平穩(wěn)信號經(jīng)過HHT后所得到的一種頻域表示形式.目前,國內(nèi)外學(xué)者已將Hilbert邊際譜應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械故障診斷、結(jié)構(gòu)損傷檢測等許多學(xué)科領(lǐng)域,顯示出其獨(dú)特的非平穩(wěn)信號處理優(yōu)勢,但在載荷譜分析和處理方面卻鮮有報(bào)道.本文提出了基于Hilbert邊際譜的道路載荷譜特征分析方法,以某型號自卸車的實(shí)測非平穩(wěn)載荷譜數(shù)據(jù)為研究對象,通過計(jì)算和分析其Hilbert邊際譜,得出該車在不同強(qiáng)化道路上的響應(yīng)特性以及自身固有特性,以及根據(jù)Hilbert邊際譜的能量分布特征來確定前期數(shù)字濾波的頻率范圍,為后期運(yùn)用到室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)奠定基礎(chǔ).1經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆纸馀chilbert邊緣譜1.1固有模態(tài)函數(shù)與殘余項(xiàng)HHT的第一部分是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD).任何非平穩(wěn)信號經(jīng)過EMD分解后,得到有限個(gè)并且具有一定物理定義的固有模態(tài)函數(shù)(IntrinsicModeFunction,IMF)與一個(gè)殘余項(xiàng).其中,任意一個(gè)IMF分量都滿足以下條件:整個(gè)數(shù)據(jù)段內(nèi)極值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和零交叉點(diǎn)的個(gè)數(shù)相等或相差最多不能超過一個(gè);在任何一點(diǎn),由局部極大值點(diǎn)形成的包絡(luò)線和由局部極小值點(diǎn)形成的包絡(luò)線的平均值為零.各階IMF分量分別包含了信號從高頻到低頻的成分,反映了信號的動(dòng)態(tài)特性,而殘余項(xiàng)則代表信號的偏移量或穩(wěn)態(tài)值.1.2信號幅值隨時(shí)間和時(shí)間軸的變化規(guī)律HHT的第二部分是對每個(gè)IMF分量進(jìn)行Hilbert變換,構(gòu)造解析函數(shù),計(jì)算得到可隨時(shí)間變化的瞬時(shí)幅值函數(shù)ai(t)和瞬時(shí)頻率函數(shù)fi(t).舍去殘余項(xiàng),重新表示原始非平穩(wěn)信號x(t)為Re表示取實(shí)部,展開式(1),即得到信號x(t)的幅值在瞬時(shí)頻率-時(shí)間平面上的分布,稱為Hilbert時(shí)頻譜,即Hilbert時(shí)頻譜的每個(gè)組成分量的幅值和相位隨時(shí)間可變,能夠精確地描述信號幅值隨時(shí)間和(瞬時(shí))頻率的變化規(guī)律,進(jìn)一步可以定義Hilbert邊際譜為式中:T是信號的時(shí)域長度.Hilbert邊際譜h(f)是Hilbert時(shí)頻譜在時(shí)間軸上的積分,表示信號在概率意義上的累積幅值(或能量)大小,反映出信號幅值(或能量)在整個(gè)(瞬時(shí))頻率段上隨(瞬時(shí))頻率的變化規(guī)律.2道路載荷譜濾波范圍的確定某型號三軸自卸貨車需要進(jìn)行室內(nèi)道路模擬試驗(yàn),以檢驗(yàn)車輛的疲勞耐久性和可靠性.課題組首先進(jìn)行了該車滿載工況下的道路試驗(yàn),采集得到各個(gè)典型強(qiáng)化路面上的道路載荷譜.為了在道路模擬試驗(yàn)機(jī)上迭代得到模擬載荷譜,即伺服作動(dòng)器位移激勵(lì)信號,前期需要根據(jù)車輛特性和載荷譜信號特征進(jìn)行濾波.濾波范圍的選擇需綜合考慮車輛型號、頻譜特征、道路模擬機(jī)的適應(yīng)要求等因素,一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定,但是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)迭代不收斂的情況,需進(jìn)行不斷重復(fù)試驗(yàn),花費(fèi)大量的時(shí)間和人力.為改進(jìn)試驗(yàn)迭代效果,本文首先對典型強(qiáng)化道路載荷譜進(jìn)行HHT變換,計(jì)算Hilbert邊際譜,分析得到該車的響應(yīng)特性和固有特性.然后,根據(jù)載荷譜的邊際譜能量分布特征確定濾波范圍,并實(shí)際應(yīng)用到室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)當(dāng)中,取得了較好的試驗(yàn)效果,節(jié)省了時(shí)間與成本.2.1強(qiáng)化道路自卸車試驗(yàn)方案數(shù)據(jù)采集硬件使用比利時(shí)LMS公司的SCADASⅢ采集儀和美國PCB公司的ICP加速度傳感器,軟件使用LMSTest.lab的Signature模塊,采樣頻率設(shè)置為400Hz.根據(jù)室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)機(jī)的垂向激勵(lì)特性,選擇試驗(yàn)自卸車的6個(gè)軸頭位置作為迭代控制目標(biāo)信號點(diǎn),分別安裝加速度傳感器,其中后軸左軸頭傳感器布置見圖1.試驗(yàn)場采集載荷譜的行駛規(guī)程及路段的選擇應(yīng)具有代表性,能夠重現(xiàn)汽車實(shí)際使用中的重要事件,使測得的載荷歷程具有典型性、概括性與集中性.因此,本次試驗(yàn)選擇安徽定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場的強(qiáng)化路段,包括扭曲路、搓板路、卵石路、不整齊石塊路等路型.該自卸車磨合狀態(tài)良好,滿載25.56t,每段強(qiáng)化道路按《中國定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場汽車產(chǎn)品定型可靠性試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的速度行駛,載荷譜測試現(xiàn)場見圖1.2.2u3000hilwell邊際譜采用前述的理論,遵循圖2的計(jì)算流程編制Matlab運(yùn)行程序,先將不同強(qiáng)化道路載荷譜信號進(jìn)行EMD分解,然后,再計(jì)算Hilbert邊際譜.由于測點(diǎn)和計(jì)算工況較多,限于篇幅限制,僅列出了搓板路前軸右軸頭載荷譜原始信號,以及EMD分解后的前四階固有模態(tài)函數(shù)和殘余項(xiàng)(圖3).由圖3可以看出,IMF1和IMF2是主要高頻信號分量,IMF3是原始信號的基本振動(dòng)分量,IMF4分量約在8.2s時(shí)出現(xiàn)振蕩,最終的殘余項(xiàng)是一個(gè)單調(diào)遞減函數(shù),證明EMD方法可以有效地實(shí)現(xiàn)載荷譜信號從高頻到低頻的分解,反映出信號的動(dòng)態(tài)特性.各強(qiáng)化道路載荷譜信號的Hilbert邊際譜計(jì)算結(jié)果如圖4所示.以具體分析搓板路和卵石路載荷譜的Hilbert邊際譜為例,觀察搓板路載荷譜的邊際譜(圖4(b))發(fā)現(xiàn),該車前、后軸4個(gè)軸頭載荷譜能量集中在15～18Hz頻帶內(nèi),在16Hz頻率點(diǎn)處能量最大.后軸2個(gè)軸頭載荷譜在10Hz處存在峰值,中軸2個(gè)軸頭載荷譜能量在5～20Hz頻帶上,總體分布比較均勻.Hilbert邊際譜說明搓板路的激勵(lì)頻率分布于16～18Hz,并不是固定的某一單頻激勵(lì),直觀地反映了搓板路載荷譜的信號特征.卵石路載荷譜所包含的頻率成分比較豐富,其邊際譜(圖4(c))反映的信息有:信號能量主要分布在30Hz以內(nèi),30Hz以外可認(rèn)為是噪聲干擾能量,但在5Hz低頻范圍內(nèi),前軸左軸頭和后軸右軸頭載荷譜的能量相對其他軸頭信號能量較大,高頻部分的噪聲能量顯示得不突出;該路況下,自卸車中、后軸非懸掛(車輛)質(zhì)量的固有頻率約10Hz,但前軸的共振沒有被激起.其他工況下的載荷譜信號特征分明,分析步驟與以上相似,鑒于篇幅限制,不再敘述.通過綜合分析圖4中所有Hilbert邊際譜的頻譜特征,得出以下結(jié)論.(1)扭曲路(圖4(a))、卵石路(圖4(c))、不整齊石塊路(圖4(d))和山路下陡坡工況(圖4(f))下的邊際譜反映出,在約5Hz低頻范圍內(nèi),前軸左和后軸右載荷譜能量相對其他軸頭信號能量較大,尤其是扭曲路邊際譜5Hz以內(nèi)的低頻能量值過大,以至于淹沒了5Hz以外的能量.(2)卵石路(圖4c)、不整齊石塊路(圖4(d))、半整齊石塊路(圖4(e))和山路下陡坡工況(圖4(f))下的邊際譜反映出,該自卸車中、后軸非懸掛(車輪)質(zhì)量的固有頻率約10Hz,邊際譜圖4(d)、(e)和(f)反映前軸非懸掛質(zhì)量的固有頻率約14Hz,符合文獻(xiàn)所指出的車輛非懸掛(車輪)質(zhì)量部分的固有頻率(10～15Hz),說明該分析結(jié)果是可靠可信的.各軸頭的結(jié)構(gòu)、位置、力學(xué)性能等因素的差異導(dǎo)致響應(yīng)特性的區(qū)別,通過計(jì)算各種載荷譜的Hilbert邊際譜,分析和比較邊際譜所反映的信號特征,能夠較好地識別出不同軸頭之間的響應(yīng)特性差異,可以對該車后期研發(fā)、改進(jìn)過程提供理論支持.2.3道路載荷譜的濾波處理目前,室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)一般采用遠(yuǎn)程參數(shù)控制法(RemoteParameterControl,RPC),屬于頻域辨識方法.要獲得精度高并且有效的系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)(FrequencyResponseFunction,FRF),前提是目標(biāo)響應(yīng)信號具有很高的信噪比,即道路載荷譜信號中不存在任何噪聲.實(shí)際采集的載荷譜信號在經(jīng)過去毛刺、糾正漂移等必要操作之后,需要進(jìn)一步檢查噪聲分量并進(jìn)行濾波處理.傳統(tǒng)的濾波范圍一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來確定,濾波過程也不可能完全將噪聲識別出來并且全部濾去,但是經(jīng)過Hilbert邊際譜分析之后,可以最大程度地識別出噪聲的分布范圍.在該車的室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)前期,項(xiàng)目組人員按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法結(jié)合載荷譜的Fourier頻譜特性,確定0.2～50Hz的濾波頻帶,結(jié)果迭代時(shí)出現(xiàn)伺服作動(dòng)器位移過大以及個(gè)別通道迭代不收斂,得不到合適驅(qū)動(dòng)譜的問題.觀察圖4各種強(qiáng)化路上載荷譜能量的分布范圍,得出噪聲頻率一般分布于30～40Hz以外的高頻部分,然后確定高通濾波頻率設(shè)置為0.5Hz,低通濾波頻率為30～40Hz,該車型對應(yīng)各種典型路面的濾波頻率建議頻帶見表1.采用Hilbert邊際譜分析確定的濾波頻帶重新迭代后,在道路模擬實(shí)驗(yàn)中取得了良好的迭代效果,說明Hilbert邊際譜能夠有效地適用于道路載荷譜的分析領(lǐng)域.3基于holwell邊際譜分析的重型車性能模擬綜上所述,用于室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的載荷譜信號具有非平穩(wěn)特性,采用Hilbert邊際譜分析載荷譜是一種新型的并且有效的嘗試.以某自卸貨