[发明专利]基于经验模态分解的航天器随机振动试验条件设计方法

说明书

本发明涉及一种复杂动力学环境条件下的时频转换技术，具体是基于经验模态分解方法，将复杂时域动力学环境转换为频域动力学环境，真实反应实际的力学环境特征，同时便于地面开展动力学环境模拟试验，提升产品总体设计水平，可适用于运载火箭、航天器、交通运输、机械制造等领域的动力学环境试验条件设计。

技术领域

本发明涉及一种复杂动力学环境条件下的时频转换，具体是基于经验模态分解方法，将复杂时域动力学环境转换为频域动力学环境，真实反应实际的力学环境特征，同时便于地面开展动力学环境模拟试验，提升产品总体设计水平，可适用于运载火箭、航天器、交通运输、机械制造等领域的动力学环境试验条件设计。

背景技术

产品在工作期间都会经历各种各样的复杂动力学环境，为保证产品能够经历复杂的动力学环境后能够正常工作，需在地面开展相应的动力学环境模拟试验。例如，卫星等航天产品在工作前需经历运载发射段的复杂动力学环境，为验证产品的设计能力，需要在地面开展正弦振动、随机振动等动力学环境模拟试验，以考核产品承受复杂动力学环境的能力。

目前在复杂力学环境的随机振动试验条件设计方法上，通常在信号平稳性假设的基础上，将加速度时域信号进行自功率谱密度分析，再进行傅里叶变换从而得到加速度功率谱密度函数，并以此制定对应的随机振动试验条件。然而，在现实生活中，真实的平稳性假设并不完全成立，并且很多时候信号往往是非平稳。例如，航天器在发射阶段所受到的环境激励因素很多，包括大气层内(特别是跨音速段)的气动载荷、级间和整流罩分离过程的火工品冲击、星箭分离过程的包带解锁冲击，更广泛地还包括航天器的对接/分离的动态冲击，这些激励具有阶段性、也具有随机性，属于非平稳的随机过程。

对于非平稳随机振动的力学环境，一般认为采用基于谐波函数的经典傅立叶分析方法存在较为明显不足。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出基于经验模态分解的随机振动试验条件设计系统及方法，该方法采用小波分析、经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)信号处理方法，由于EMD方法不需设定先验的基函数，因此更适合运载火箭星箭界面加速度此类多因素造成的非平稳随机振动过程。

采用EMD分解制定随机振动试验条件，能够拓展对信号平稳性假设的外延，能够更加真实的反应产品所处的动力学环境特征，制定合理的随机振动试验条件，一定程度上能够避免严重的“过设计”和“过试验”现象，有利于改善产品力学环境模拟试验方法，提高我国航空航天产品的设计水平。将复杂时域动力学环境转换为频域动力学环境，真实反应实际的力学环境特征，便于地面开展动力学环境模拟试验，改善产品地面动力学环境模拟“过试验”程度，提升产品总体设计水平。

基于经验模态分解的随机振动试验条件设计系统，该系统包括经验模态分解模块、功率谱密度分析模块、频率累加合成模块和振动试验条件制定模块；

经验模态分解模块用于对动力学环境下航天器的加速度时域信号a₁(t)进行经验模态分解；

功率谱密度分析模块用于将N阶本征模态函数进行功率谱密度分析，得到各本征模态函数对应的功率谱密度函数；

频率累加合成模块用于将N阶本征模态函数对应的功率谱密度函数按照对应频率累加原则进行合成，得到原始加速度时域信号a₁(t)所对应的功率谱密度函数；

振动试验条件制定模块用于根据合成的功率谱密度函数制定随机振动试验条件。

功率谱密度分析模块依次对每个不同尺度的数据序列进行处理，得到每个时间序列的功率谱密度函数；

频率累加合成模块对每个时间序列的功率谱密度合成按照下式进行：

基于经验模态分解的随机振动试验条件设计方法，该方法的步骤包括：