車輛非平穩(wěn)隨機振動信號的數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、車輛在道路行駛時產(chǎn)生的振動往往呈現(xiàn)出隨機性和非平穩(wěn)特性，遭遇較差路況或極端天氣時，更會呈現(xiàn)出顯著的非高斯特性。與平穩(wěn)隨機振動信號相比，非平穩(wěn)隨機振動信號的特征參數(shù)具有時變性，它激發(fā)的動力學(xué)響應(yīng)通常也具有時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振動結(jié)構(gòu)響應(yīng)，也很難精確地進行車輛系統(tǒng)的動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計和疲勞分析等高階應(yīng)用。
　　鑒于車輛非平穩(wěn)隨機振動廣泛存在于自然環(huán)境中，并且采用傳統(tǒng)的理

2、論方法對其研究存在局限，當(dāng)前工程中進行車輛系統(tǒng)的動力學(xué)分析時，主要采用Monte Carlo數(shù)值模擬手段或開展實際的振動試驗。然而，非平穩(wěn)隨機振動并不像平穩(wěn)隨機振動有一套成熟的數(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)隨機信號的模擬方法并不能仿真出車輛振動信號本質(zhì)的隨機性、非平穩(wěn)、高斯/非高斯特性。同時，目前實驗室隨機振動控制系統(tǒng)大多只能提供平穩(wěn)的隨機振動環(huán)境，而使用平穩(wěn)隨機振動近似非平穩(wěn)隨機振動容易造成欠試驗或者過試驗，不能滿足

3、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性試驗真實模擬的要求。因此，開展非平穩(wěn)隨機振動信號的數(shù)值模擬方法的研究工作勢在必行。
　　本文在綜合分析國內(nèi)外非平穩(wěn)隨機振動信號數(shù)值模擬方法、車輛振動試驗相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對車輛系統(tǒng)的Monto Carlo動力學(xué)仿真和實驗室內(nèi)場隨機振動試驗的工程需求，引出“車輛非平穩(wěn)隨機振動信號的數(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)隨機振動信號的數(shù)學(xué)模型<

4、br>　　在希爾伯特-黃變換的基礎(chǔ)上，提出兩個假設(shè)并且建立了表征車輛非平穩(wěn)隨機振動信號的數(shù)學(xué)模型。通過分析此數(shù)學(xué)模型在時域和頻域的特性，不但得到了此模型準(zhǔn)確描述車輛非平穩(wěn)隨機振動信號的隨機性、非平穩(wěn)、高斯/非高斯特性的理論依據(jù)，而且揭示了信號希爾伯特譜與時變幅值的顯性關(guān)系，同時還提出了調(diào)整信號前四階統(tǒng)計矩函數(shù)取值的方法。
　?。?）提出了車輛非平穩(wěn)隨機振動信號的重建方法
　　在車輛非平穩(wěn)隨機振動信號數(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)隨機振動信號的重建方法。仿真實例證明使用此方法重建得到的數(shù)值模擬信號不僅具有與采樣信號相同的波形、幅值概率密度和統(tǒng)計矩函數(shù)等時域特性，還能夠保留采樣信號的幅值-頻率-時間分布、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)非高斯隨機振動信號。
　　（3）提出了車輛非平穩(wěn)隨機振動信號的繁衍方法
　　在車輛非平穩(wěn)隨機振動信號重建方法

6、的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的車輛非平穩(wěn)隨機振動信號繁衍方法。仿真實例證明此方法能夠繁衍得到與采樣信號具有類似時間和頻率特性的車輛非平穩(wěn)高斯或非平穩(wěn)非高斯隨機振動信號。此外，在信號發(fā)生器中應(yīng)用此信號繁衍方法并使用振動試驗平臺在實驗室條件下成功模擬出非平穩(wěn)隨機振動環(huán)境，試驗結(jié)果進一步驗證了本文提出的信號繁衍方法既能夠模擬出比當(dāng)前常用的振動環(huán)境模擬方法更接近真實物理情形的非平穩(wěn)高斯和非平穩(wěn)非高斯隨機振動環(huán)境，又具有較好的可行性。
　　綜上

7、所述，本論文在國家自然科學(xué)基金的資助下，按照“理論分析、技術(shù)實現(xiàn)、試驗驗證”的研究思路，重點回答了當(dāng)前“車輛非平穩(wěn)隨機振動信號的數(shù)值模擬方法研究”中關(guān)注的三個問題：（1）如何建立可以準(zhǔn)確描述車輛非平穩(wěn)隨機振動信號的數(shù)學(xué)模型？（2）如何建立可以準(zhǔn)確重建車輛非平穩(wěn)隨機振動信號的數(shù)值模擬方法？（3）如何建立可以準(zhǔn)確繁衍車輛非平穩(wěn)隨機振動信號的數(shù)值模擬方法？這些問題的回答對車輛系統(tǒng)的Monto Carlo數(shù)值仿真和實驗室內(nèi)場振動試驗技術(shù)的發(fā)展具