基于hilmann边际谱的强化道路载荷谱信号分析

基于hilmann边际谱的强化道路载荷谱信号分析

0基于holwell-东南角的非平稳载荷谱特征分析方法内道路模拟测试是测量和验证车辆可靠性的重要手段。在单元一的模拟车辆行驶中，可以获得非常准确的路面激励。它具有连续性好、试验周期短的优点，不仅减少了人力和财力，也越来越受汽车制造商的喜爱。为了获得道路模拟试验器的位移激励信号，必须获取能够反映车辆实际行驶中负荷信息的目标信号（以下简称负荷谱）。然而，在车辆的现场采集中，由于驾驶员的驾驶习惯、实际行驶速度的不稳定性、测量仪器的不规则性、驾驶环境中的骑力、倾斜力和驾驶员的效率等因素的影响，混合了不同的噪声因子，从而使载荷谱信号的非稳定特征。Hilbert-Huang变换(Hilbert-HuangTransform,HHT)是由美籍华人黄锷博士等提出的一种全新的分析非平稳非线性信号的时频分析方法,具有简单高效、自适应性强、高分辨率等优点.Hilbert边际谱是原始非平稳信号经过HHT后所得到的一种频域表示形式.目前,国内外学者已将Hilbert边际谱应用于生物医学、机械故障诊断、结构损伤检测等许多学科领域,显示出其独特的非平稳信号处理优势,但在载荷谱分析和处理方面却鲜有报道.本文提出了基于Hilbert边际谱的道路载荷谱特征分析方法,以某型号自卸车的实测非平稳载荷谱数据为研究对象,通过计算和分析其Hilbert边际谱,得出该车在不同强化道路上的响应特性以及自身固有特性,以及根据Hilbert边际谱的能量分布特征来确定前期数字滤波的频率范围,为后期运用到室内道路模拟试验奠定基础.1经验模型的分解与hilbert边缘谱1.1固有模态函数与残余项HHT的第一部分是经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD).任何非平稳信号经过EMD分解后,得到有限个并且具有一定物理定义的固有模态函数(IntrinsicModeFunction,IMF)与一个残余项.其中,任意一个IMF分量都满足以下条件:整个数据段内极值点的个数和零交叉点的个数相等或相差最多不能超过一个;在任何一点,由局部极大值点形成的包络线和由局部极小值点形成的包络线的平均值为零.各阶IMF分量分别包含了信号从高频到低频的成分,反映了信号的动态特性,而残余项则代表信号的偏移量或稳态值.1.2信号幅值随时间和时间轴的变化规律HHT的第二部分是对每个IMF分量进行Hilbert变换,构造解析函数,计算得到可随时间变化的瞬时幅值函数ai(t)和瞬时频率函数fi(t).舍去残余项,重新表示原始非平稳信号x(t)为Re表示取实部,展开式(1),即得到信号x(t)的幅值在瞬时频率-时间平面上的分布,称为Hilbert时频谱,即Hilbert时频谱的每个组成分量的幅值和相位随时间可变,能够精确地描述信号幅值随时间和(瞬时)频率的变化规律,进一步可以定义Hilbert边际谱为式中:T是信号的时域长度.Hilbert边际谱h(f)是Hilbert时频谱在时间轴上的积分,表示信号在概率意义上的累积幅值(或能量)大小,反映出信号幅值(或能量)在整个(瞬时)频率段上随(瞬时)频率的变化规律.2道路载荷谱滤波范围的确定某型号三轴自卸货车需要进行室内道路模拟试验,以检验车辆的疲劳耐久性和可靠性.课题组首先进行了该车满载工况下的道路试验,采集得到各个典型强化路面上的道路载荷谱.为了在道路模拟试验机上迭代得到模拟载荷谱,即伺服作动器位移激励信号,前期需要根据车辆特性和载荷谱信号特征进行滤波.滤波范围的选择需综合考虑车辆型号、频谱特征、道路模拟机的适应要求等因素,一般根据经验来确定,但是经常会出现迭代不收敛的情况,需进行不断重复试验,花费大量的时间和人力.为改进试验迭代效果,本文首先对典型强化道路载荷谱进行HHT变换,计算Hilbert边际谱,分析得到该车的响应特性和固有特性.然后,根据载荷谱的边际谱能量分布特征确定滤波范围,并实际应用到室内道路模拟试验当中,取得了较好的试验效果,节省了时间与成本.2.1强化道路自卸车试验方案数据采集硬件使用比利时LMS公司的SCADASⅢ采集仪和美国PCB公司的ICP加速度传感器,软件使用LMSTest.lab的Signature模块,采样频率设置为400Hz.根据室内道路模拟试验机的垂向激励特性,选择试验自卸车的6个轴头位置作为迭代控制目标信号点,分别安装加速度传感器,其中后轴左轴头传感器布置见图1.试验场采集载荷谱的行驶规程及路段的选择应具有代表性,能够重现汽车实际使用中的重要事件,使测得的载荷历程具有典型性、概括性与集中性.因此,本次试验选择安徽定远汽车试验场的强化路段,包括扭曲路、搓板路、卵石路、不整齐石块路等路型.该自卸车磨合状态良好,满载25.56t,每段强化道路按《中国定远汽车试验场汽车产品定型可靠性试验规程》规定的速度行驶,载荷谱测试现场见图1.2.2u3000hilwell边际谱采用前述的理论,遵循图2的计算流程编制Matlab运行程序,先将不同强化道路载荷谱信号进行EMD分解,然后,再计算Hilbert边际谱.由于测点和计算工况较多,限于篇幅限制,仅列出了搓板路前轴右轴头载荷谱原始信号,以及EMD分解后的前四阶固有模态函数和残余项(图3).由图3可以看出,IMF1和IMF2是主要高频信号分量,IMF3是原始信号的基本振动分量,IMF4分量约在8.2s时出现振荡,最终的残余项是一个单调递减函数,证明EMD方法可以有效地实现载荷谱信号从高频到低频的分解,反映出信号的动态特性.各强化道路载荷谱信号的Hilbert边际谱计算结果如图4所示.以具体分析搓板路和卵石路载荷谱的Hilbert边际谱为例,观察搓板路载荷谱的边际谱(图4(b))发现,该车前、后轴4个轴头载荷谱能量集中在15～18Hz频带内,在16Hz频率点处能量最大.后轴2个轴头载荷谱在10Hz处存在峰值,中轴2个轴头载荷谱能量在5～20Hz频带上,总体分布比较均匀.Hilbert边际谱说明搓板路的激励频率分布于16～18Hz,并不是固定的某一单频激励,直观地反映了搓板路载荷谱的信号特征.卵石路载荷谱所包含的频率成分比较丰富,其边际谱(图4(c))反映的信息有:信号能量主要分布在30Hz以内,30Hz以外可认为是噪声干扰能量,但在5Hz低频范围内,前轴左轴头和后轴右轴头载荷谱的能量相对其他轴头信号能量较大,高频部分的噪声能量显示得不突出;该路况下,自卸车中、后轴非悬挂(车辆)质量的固有频率约10Hz,但前轴的共振没有被激起.其他工况下的载荷谱信号特征分明,分析步骤与以上相似,鉴于篇幅限制,不再叙述.通过综合分析图4中所有Hilbert边际谱的频谱特征,得出以下结论.(1)扭曲路(图4(a))、卵石路(图4(c))、不整齐石块路(图4(d))和山路下陡坡工况(图4(f))下的边际谱反映出,在约5Hz低频范围内,前轴左和后轴右载荷谱能量相对其他轴头信号能量较大,尤其是扭曲路边际谱5Hz以内的低频能量值过大,以至于淹没了5Hz以外的能量.(2)卵石路(图4c)、不整齐石块路(图4(d))、半整齐石块路(图4(e))和山路下陡坡工况(图4(f))下的边际谱反映出,该自卸车中、后轴非悬挂(车轮)质量的固有频率约10Hz,边际谱图4(d)、(e)和(f)反映前轴非悬挂质量的固有频率约14Hz,符合文献所指出的车辆非悬挂(车轮)质量部分的固有频率(10～15Hz),说明该分析结果是可靠可信的.各轴头的结构、位置、力学性能等因素的差异导致响应特性的区别,通过计算各种载荷谱的Hilbert边际谱,分析和比较边际谱所反映的信号特征,能够较好地识别出不同轴头之间的响应特性差异,可以对该车后期研发、改进过程提供理论支持.2.3道路载荷谱的滤波处理目前,室内道路模拟试验一般采用远程参数控制法(RemoteParameterControl,RPC),属于频域辨识方法.要获得精度高并且有效的系统频率响应函数(FrequencyResponseFunction,FRF),前提是目标响应信号具有很高的信噪比,即道路载荷谱信号中不存在任何噪声.实际采集的载荷谱信号在经过去毛刺、纠正漂移等必要操作之后,需要进一步检查噪声分量并进行滤波处理.传统的滤波范围一般根据经验值来确定,滤波过程也不可能完全将噪声识别出来并且全部滤去,但是经过Hilbert边际谱分析之后,可以最大程度地识别出噪声的分布范围.在该车的室内道路模拟试验前期,项目组人员按照传统经验方法结合载荷谱的Fourier频谱特性,确定0.2～50Hz的滤波频带,结果迭代时出现伺服作动器位移过大以及个别通道迭代不收敛,得不到合适驱动谱的问题.观察图4各种强化路上载荷谱能量的分布范围,得出噪声频率一般分布于30～40Hz以外的高频部分,然后确定高通滤波频率设置为0.5Hz,低通滤波频率为30～40Hz,该车型对应各种典型路面的滤波频率建议频带见表1.采用Hilbert边际谱分析确定的滤波频带重新迭代后,在道路模拟实验中取得了良好的迭代效果,说明Hilbert边际谱能够有效地适用于道路载荷谱的分析领域.3基于holwell边际谱分析的重型车性能模拟综上所述,用于室内道路模拟试验的载荷谱信号具有非平稳特性,采用Hilbert边际谱分析载荷谱是一种新型的并且有效的尝试.以某自卸货