[发明专利]一种近似在线的颤振边界预测方法

说明书

本发明公开一种近似在线的颤振边界预测方法，在低速风洞中进行连续风速下的吹风试验，测量出飞机关键部位的振动响应；画出各个模态频率峰值倒数图，下降趋势明显的即为危险模态；继续进行连续风速下的吹风试验，采集数据，只在危险模态的频率附近读取出最大值，记为频率峰值，每个数据点有一一对应的测量风速，该点数据所对应的速度取平均值，即为与峰值匹配的速度；画出峰值倒数与速度的关系图，并用一次函数进行拟合外推得到颤振边界速度；继续采集并处理新的试验数据，不断得到新的颤振边界速度，当所预测的颤振边界速度与实际吹风速度之间的相对误差不足3％时，停止试验。本发明实现在连续风速下进行颤振边界预测，是一种近似在线的预测方法。

技术领域：

本发明涉及一种近似在线的颤振边界预测方法，其属于信息传输与处理技术领域。

背景技术：

颤振是由于气动力、弹性力和惯性力耦合而发生的振幅不衰减的自激振动，它是气动弹性力学中最重要的问题之一。

经过几十年的发展，颤振风行试验技术已经有了很大提高。但依然由三个部分组成：结构激励、响应测量和颤振边界的预测。其中，颤振边界预测是最为关键的一部分。包括阻尼外推法、颤振余度法、包线函数法、ARMA法、NG方法和鲁棒颤振分析法。

阻尼外推法通过观测各阶模态的阻尼随亚临界速度的变化直接外推到阻尼为零的点来求颤振临界速度。对于大型复杂系统，阻尼外推法是最效的，目前在实际的颤振飞行试验中使用也最广泛。但是，阻尼识别精度相比频率识别精度要差很多，为了减小阻尼识别的误差，需要在同一个速度下进行多次测试；同时阻尼是飞行速度的非线性函数，在外推时，需要尽量多的测试速度点才能保证结果的准确性，还需要颤振飞行试验点尽量接近颤振临界点，并选择合适的插值方法才能获得较高的预测精度。

颤振余度法由Zimmerman和Weissenburger提出，其基于经典的弯扭二自由度机翼的运动方程，利用Routh判据确定系统的稳定条件，并通过采样数据获得极点信息，求解描述颤振余度的与动压有关的二次多项式得到颤振临界点。与阻尼外推法一样，颤振余度法也需要进行参数识别，提取系统的阻尼和频率信息。由于颤振余度对阻尼的敏感程度小于对频率的敏感程度，而频率的识别精度相比阻尼要高，可以说，颤振余度法在一定程度上弥补了阻尼外推法的阻尼提取精度要求高、外推方法选择严和突发型颤振预测难等缺陷。但对于多自由度模型，须提前知道哪两阶模态发生耦合，但由于未考虑到其他模态的影响，必然存在一定的误差。

包线函数法由Copper提出，其理论基础是：对于任何稳定的有阻尼系统，脉冲响应是随着时间衰减的。在时域内，响应的衰减所围成的形状称为衰减包线，其大小和形状的不同意味着阻尼的变化，其本质内涵与阻尼外推法类似。包线函数法并不需要识别模态参数，而是通过计算不同速度下包线函数的形状参数来预测系统的稳定性。该方法对测试速度下的每一个监测位置的响应都可计算出一个包线函数，通过平均对提高预测精度有一定帮助。在包线函数法的基础上，Copper等人基于在线差分方程，以随机激励作为输入发展了在线的包线函数法，然而由于没有确定性的输入，该方法需要花费大量的时间收敛到一个稳定的估计，因此对于在线估计，其应用是有限的。

ARMA方法由Matsuzaki和Ando提出，所需的信号由大气紊流对结构产生随机激励而获得。其采用由包含响应项的自回归(AR)模型和代表着白噪声激励的滑动平均(MA)模型“混合”而成的ARMA模型来描述气动系统，通过系统辨识得到自回归项系数后，由Jury判据确定系统的稳定性。该方法对于二阶及二阶以上模态都适用，对于高阶模态系统，具有更高的预测精度。但在测试速度较小的时候，曲线拟合时可能会把缓和型颤振误作突发性颤振。利用ARMA方法进行颤振边界预测，飞行试验时无需额外的激振设备，操作简单，易于实现，但大气紊流激励能量主要集中在低频段，高频模态难以激起，并且响应信号的信噪比一般较低，这是ARMA方法的一大弊端。