車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、車輛在道路行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)往往呈現(xiàn)出隨機(jī)性和非平穩(wěn)特性，遭遇較差路況或極端天氣時(shí)，更會(huì)呈現(xiàn)出顯著的非高斯特性。與平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)相比，非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)具有時(shí)變性，它激發(fā)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)通常也具有時(shí)變性甚至夾雜非線性。然而傳統(tǒng)的理論方法不能準(zhǔn)確描述和分析具有非平穩(wěn)性甚至夾雜非線性的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)，也很難精確地進(jìn)行車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)和疲勞分析等高階應(yīng)用。
　　鑒于車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)廣泛存在于自然環(huán)境中，并且采用傳統(tǒng)的理

2、論方法對(duì)其研究存在局限，當(dāng)前工程中進(jìn)行車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，主要采用Monte Carlo數(shù)值模擬手段或開展實(shí)際的振動(dòng)試驗(yàn)。然而，非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)并不像平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)有一套成熟的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)歸納、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范，當(dāng)前非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的模擬方法并不能仿真出車輛振動(dòng)信號(hào)本質(zhì)的隨機(jī)性、非平穩(wěn)、高斯/非高斯特性。同時(shí)，目前實(shí)驗(yàn)室隨機(jī)振動(dòng)控制系統(tǒng)大多只能提供平穩(wěn)的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境，而使用平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)近似非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)容易造成欠試驗(yàn)或者過試驗(yàn)，不能滿足

3、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性試驗(yàn)真實(shí)模擬的要求。因此，開展非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)值模擬方法的研究工作勢(shì)在必行。
　　本文在綜合分析國(guó)內(nèi)外非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)數(shù)值模擬方法、車輛振動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)車輛系統(tǒng)的Monto Carlo動(dòng)力學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)場(chǎng)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的工程需求，引出“車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)值模擬方法研究”這一主題，并緊緊圍繞該主題開展了如下研究工作：
　　（1）建立了表征車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型<

4、br>　　在希爾伯特-黃變換的基礎(chǔ)上，提出兩個(gè)假設(shè)并且建立了表征車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。通過分析此數(shù)學(xué)模型在時(shí)域和頻域的特性，不但得到了此模型準(zhǔn)確描述車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的隨機(jī)性、非平穩(wěn)、高斯/非高斯特性的理論依據(jù)，而且揭示了信號(hào)希爾伯特譜與時(shí)變幅值的顯性關(guān)系，同時(shí)還提出了調(diào)整信號(hào)前四階統(tǒng)計(jì)矩函數(shù)取值的方法。
　?。?）提出了車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的重建方法
　　在車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一

5、種不同于傳統(tǒng)思路的車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的重建方法。仿真實(shí)例證明使用此方法重建得到的數(shù)值模擬信號(hào)不僅具有與采樣信號(hào)相同的波形、幅值概率密度和統(tǒng)計(jì)矩函數(shù)等時(shí)域特性，還能夠保留采樣信號(hào)的幅值-頻率-時(shí)間分布、邊緣希爾伯特譜和希爾伯特譜的非平穩(wěn)度等頻域特性。此信號(hào)重建方法準(zhǔn)確度高，可操作性好，適合于重建車輛非平穩(wěn)高斯和非平穩(wěn)非高斯隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)。
　?。?）提出了車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的繁衍方法
　　在車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)重建方法

6、的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)繁衍方法。仿真實(shí)例證明此方法能夠繁衍得到與采樣信號(hào)具有類似時(shí)間和頻率特性的車輛非平穩(wěn)高斯或非平穩(wěn)非高斯隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)。此外，在信號(hào)發(fā)生器中應(yīng)用此信號(hào)繁衍方法并使用振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室條件下成功模擬出非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的信號(hào)繁衍方法既能夠模擬出比當(dāng)前常用的振動(dòng)環(huán)境模擬方法更接近真實(shí)物理情形的非平穩(wěn)高斯和非平穩(wěn)非高斯隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境，又具有較好的可行性。
　　綜上

7、所述，本論文在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，按照“理論分析、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證”的研究思路，重點(diǎn)回答了當(dāng)前“車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)值模擬方法研究”中關(guān)注的三個(gè)問題：（1）如何建立可以準(zhǔn)確描述車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型？（2）如何建立可以準(zhǔn)確重建車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)值模擬方法？（3）如何建立可以準(zhǔn)確繁衍車輛非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)值模擬方法？這些問題的回答對(duì)車輛系統(tǒng)的Monto Carlo數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)場(chǎng)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展具