[发明专利]量化比较随机振动仿真数据与实验数据的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种比较随机振动仿真数据与实验数据的方法，尤其是适用于对随机振动仿真得到的响应曲线数据与实验测试得到的响应曲线数据进行量化地比较的方法。

背景技术

在航空、航天领域，系统在振动环境作用下的可靠性和安全性问题非常重要。在实验室中用振动模拟系统对产品施加在寿命期内遇到的极值及典型环境应力来考核产品的环境适应性和可靠性是检验产品质量、提高产品可靠性的有效方法。现代动力学仿真技术主要是以有限元方法（FEA）为基础的一种力学行为模拟分析技术，而FEA是通过将连续结构离散化来建立分析模型，进而求解组合方程来求得连续结构的近似解。有限元方法于20世纪50年代诞生以来，随着计算机技术的迅猛发展，有限元方法和有限元仿真计算技术得到了快速地发展，已经成为现今工程问题中应用最广泛的数值仿真方法。

随机振动实验是在实验室条件下对产品在运输、使用中所经受振动环境的人工模拟,是保障产品安全可靠性的重要手段。随机振动试验是工程中常用的一种模拟试验，应用时为了避免因振动量级有超出振动台极限而造成破坏常根据试验样品的振动条件，估算出随机振动试验所需的最大推力、最大位移和最大加速度。通过与振动台极限指标进行对比，考核该振动台能否进行该项试验。随机振动是复杂的力学问题,是一种瞬时值不确定的机械振动,只能用概率统计方法定量描述。随机振动试验就是通过试验模拟使用遇到的随机振动。试验参数通常用频率范围、功率谱密度(PSD)、总均方根加速度(GRMS)等来描。实践中，工程结构会受到多种来源和多种水平的动力学载荷作用。这些动力学载荷中大都可以归结为随机振动载荷。诸如：汽车受到的来自不平整路面的载荷，高耸结构受到的脉动风载荷等。在工程结构的设计过程中需要计算结构在上述随机振动载荷作用下的响应行为。动力学仿真技术为设计人员提供了完成这一复杂任务的手段。为此，设计人员需要建立分析模型并进行仿真计算。而仿真模型和结果的真实程度则需要通过将仿真得到的随机振动响应结果与实验测量得到的随机振动响应结果进行比较。随机振动仿真和随机振动实验得到的响应结果主要是一些物理量的标准差值或均方根值RMS和功率谱密度响应曲线。工程领域常用的物理量主要有位移、加速度等。

当前，主要利用3种手段来比较仿真得到的随机振动响应结果与实验测量得到的随机振动响应结果：

一是，比较仿真和实验得到的结构上同一部位的随机振动响应的均方根值，并由式（1）计算相对误差；二是，比较仿真和实验得到的结构上同一部位的随机振动响应的共振峰值、共振频率及共振传递率的大小；三是，将仿真和实验得到的结构同一部位的PSD曲线同时绘制在同一坐标系中来定性地比较两种数据的一致程度，是一种定性的比较方法。

E=RMSs-RMSeRMSe×100%]]>     (1)

式（1）中，E为百分比相对误差；RMS_s为仿真得到的随机振动响应均方根值；RMS_e为实验得到的随机振动响应均方根值。

这些方法的缺陷和不足主要体现在以下几个方面：

a)不能揭示两个随机振动响应数据局部的差别

均方根值是表示一个随机变量在整个频段上的总能量的大小的统计特征。当随机变量的均值为零时，均方根值将与标准差值相等。现有方法中对仿真得到的随机振动响应数据和实验测得随机振动响应数据的均方根值进行比较，只能从“平均”的意义上，表明两个数据在整体上差别，并不能将两个数据的局部区别揭示出来。图2所示两个局部差别明显的数据，它们的均方根值可能是很接近的。可见，比较均方根值并不能揭示两个随机振动响应数据的局部差别。

b)不能反映两个随机振动响应数据的整体相似性