蘭永霞，姜良奎

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司工程研究中心，山東 青島 266111)

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基于Labview的軌道譜的時(shí)間歷程反演程序設(shè)計(jì)

蘭永霞，姜良奎

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司工程研究中心，山東 青島 266111)

對(duì)我國(guó)干線軌道譜、美國(guó)軌道譜、德國(guó)高低速軌道譜進(jìn)行動(dòng)態(tài)反演得到對(duì)應(yīng)時(shí)間歷程的振動(dòng)信息，是車輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算、整車振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)重要的輸入激勵(lì)。本文采用相位隨機(jī)的三角級(jí)數(shù)法為理論基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道譜的反演，應(yīng)用Labview 編制反演程序，應(yīng)用LabSQL技術(shù)管理反演數(shù)據(jù)，應(yīng)用MathScript實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。充分利用了Labview虛擬儀器操作簡(jiǎn)單、界面友好的特點(diǎn)，有利于試驗(yàn)人員的操作和使用，必將為工程試驗(yàn)室整車振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和試驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘龀鲆欢ǖ呢暙I(xiàn)。

軌道譜；Labview；LabSQL；反演；程序設(shè)計(jì)

1 引 言

軌道不平順是機(jī)車車輛產(chǎn)生振動(dòng)的主要根源，是影響機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一。在機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)仿真、列車綜合舒適性試驗(yàn)和機(jī)車臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)中，軌道不平順是必不可少的激勵(lì)輸入[1]。為了更好地發(fā)揮工程實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)試驗(yàn)功能，實(shí)現(xiàn)我國(guó)干線軌道譜、美國(guó)各級(jí)軌道譜、德國(guó)高低速軌道譜以及實(shí)測(cè)譜的動(dòng)態(tài)反演，配合各類仿真和試驗(yàn)研究的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套軌道譜反演系統(tǒng)。

反演系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)不僅要充分應(yīng)用軌道譜反演的最新發(fā)展理論，確保反演數(shù)據(jù)的有效和精準(zhǔn)，同時(shí)要考慮軟件開發(fā)平臺(tái)的交互性能與已有試驗(yàn)系統(tǒng)的兼容性能。因此，將軌道譜反演的最新發(fā)展技術(shù)——隨機(jī)相位的三角級(jí)數(shù)法與Labview平臺(tái)相結(jié)合[2-3]，開發(fā)一套軌道譜反演程序和軟件系統(tǒng)，為試驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘l(fā)揮重要作用。

2 軌道譜反演算法

因軌道譜的反演是車輛動(dòng)力學(xué)研究、車輛動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的必要輸入，其反演技術(shù)得到了充分發(fā)展。目前主要有三角級(jí)數(shù)法[4]、白噪聲濾波法[5]、二次濾波法[6]和反傅里葉變換法[7]。通過(guò)各種方法的研究對(duì)比，各種軌道譜反演技術(shù)得到的時(shí)域樣本都正確，但是，三角級(jí)數(shù)法和反傅里葉變換法反演的樣本的離散度小，而白噪聲濾波和二次濾波法反演的樣本離散度大[8]。同時(shí)，考慮算法的可靠性，本系統(tǒng)采用隨機(jī)相位的三角級(jí)數(shù)法反演軌道的不平順。

三角級(jí)數(shù)法是一種最直接軌道譜反演方法，其理論依據(jù)是任何平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程都可用一系列帶隨機(jī)相位的正弦函數(shù)或余弦函數(shù)的和來(lái)表示，一類是振幅和相位都隨機(jī)變化，另一類是只有相位隨機(jī)變化。振幅和相位都隨機(jī)變化產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)多，同時(shí)不能保證各態(tài)歷經(jīng)[8]，因此采用隨機(jī)相位的三角模擬反演技術(shù)。

設(shè)軌道不平順x(t)為各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過(guò)程，其功率譜密度函數(shù)可以通過(guò)傅里葉變換估計(jì)得到。

(1)

式中，F(xiàn)x(ω,T)、Sx(ω)分別為各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過(guò)程x(t)的傅里葉變換和功率譜密度函數(shù)。

軌道不平順隨機(jī)過(guò)程可以采用復(fù)數(shù)形式的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)：

(2)

式中，ω0=πT-1，T=NΔt。

式(2)的離散表達(dá)式為：

(3)

有：

(4)

(5)

(6)

據(jù)軌道不平順是具有零均值各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)Gauss過(guò)程的假定，將過(guò)程的傅里葉級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)化為三角級(jí)數(shù)，三角級(jí)數(shù)的疊加可以生產(chǎn)時(shí)程樣本。軌道不平順激勵(lì)過(guò)程與相應(yīng)的復(fù)傅里葉級(jí)數(shù)為一對(duì)傅里葉變換對(duì)，可表示為：

(7)

(8)

式中，Ck為復(fù)傅里葉級(jí)數(shù)展開系數(shù)；θk為隨機(jī)相位角。

為描述系數(shù)Ck的隨機(jī)性質(zhì)，引入隨機(jī)變量θk，并令其在 0～2π區(qū)間上服從均勻分布，可構(gòu)造出如下軌道譜反演的軌道不平順隨機(jī)過(guò)程的三角級(jí)數(shù)表達(dá)式：

(9)

式中，ω0=π(NΔt)-1。

3 軌道譜反演的程序設(shè)計(jì)

以隨機(jī)相位的三角級(jí)數(shù)法為理論基礎(chǔ)，以Labview為軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行軌道的反演程序設(shè)計(jì)，主要包括軟件框架設(shè)計(jì)、反演界面、數(shù)據(jù)管理3個(gè)部分。

3.1 軟件框架

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，總共包含3層結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)庫(kù)層、接口層，具體如圖1所示。

圖1 軟件架構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)連接

軟件的應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)主要功能，軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，實(shí)現(xiàn)軟件接口層數(shù)據(jù)訪問(wèn)。該軟件數(shù)據(jù)庫(kù)選擇ORACLE MySQL，該數(shù)據(jù)庫(kù)是一種開源的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。本軟件使用LabSQL實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作和訪問(wèn)，圖2是LabSQL數(shù)據(jù)庫(kù)連接和操作步驟。

圖2 LabSQL連接和操作數(shù)據(jù)庫(kù)步驟

3.3 軌道譜反演程序設(shè)計(jì)

在Labview中實(shí)現(xiàn)算法程序的實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)時(shí)，選用Labview自帶的面向數(shù)學(xué)的文本化編程方式(MathScript)編寫程序。在開發(fā)算法、研究處理信號(hào)理論或分析結(jié)果時(shí)，均能用MathScript方便實(shí)現(xiàn)。MathScript的核心是高級(jí)文本化編程語(yǔ)言，具有對(duì)信號(hào)處理、分析和數(shù)學(xué)計(jì)算相關(guān)任務(wù)的復(fù)雜性進(jìn)行抽象化的語(yǔ)法和功能。本軟件的算法程序設(shè)計(jì)按照上一節(jié)反演算法設(shè)計(jì)，其交互界面如圖3所示。

圖3 軌道譜反演參數(shù)設(shè)置交互界面

3.4 數(shù)據(jù)管理和回放

數(shù)據(jù)庫(kù)管理操作包含：數(shù)據(jù)庫(kù)刷新、刪除、添加、波形文件數(shù)據(jù)的提取，管理和回放界面如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)管理和回放界面

4 軌道譜反演程序運(yùn)行測(cè)試

分別選取美國(guó)軌道譜6級(jí)譜、德國(guó)低干擾軌道譜、鄭武線高速試驗(yàn)段軌道譜，應(yīng)用本文開發(fā)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行反演，反演結(jié)果分別如圖5-圖7所示。

圖5 美國(guó)軌道譜6級(jí)譜

圖6 德國(guó)低干擾軌道譜

圖7 鄭武線高速試驗(yàn)段軌道譜

5 總 結(jié)

軌道譜的時(shí)間歷程反演對(duì)動(dòng)力性能分析、動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)具有重要作用，對(duì)提升試驗(yàn)?zāi)芰哂兄匾饬x。本文概括起來(lái)具有以下特點(diǎn)：

(1)將軌道譜反演技術(shù)與虛擬儀器有機(jī)結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)各種軌道譜的反演、管理和回放，界面友好，便于實(shí)際應(yīng)用。

(2)能夠很好地兼容到試驗(yàn)室現(xiàn)有的試驗(yàn)平臺(tái)，提高了動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

[1]任尊松.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[2]張重雄.虛擬儀器技術(shù)-分析與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[3]豈興明,田京京,夏寧.Labview入門與實(shí)踐開發(fā)100例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[4]許昭鑫.隨機(jī)振動(dòng)[M].北京:高等教育出版社,1990.

[5]侯傳亮,張永林.工程平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的數(shù)值模擬研究[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,22(3):27-29.

[6]王豐元,王穎,王東軍.鐵路軌道不平順模擬的一種新方法[J].鐵道學(xué)報(bào),1997,19(6):110-115.

[7]M.L. Averill, K. David. Simulation modeling and analysis [M].New York: McGraw-Hill Book Company, 1982.

[8]劉寅華,李芾,黃運(yùn)花.軌道不平順數(shù)值模擬方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2006,6(1):29-33.

Design of Time-History Inversion Procedure for Rail Spectrum based on Labview

Lan Yongxia, Jiang Liangkui

(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd. National engineering Laboratory, Qingdao 266111, Shandong, China)

The time-history information of a variety of spectrums such as Chinese main line rail spectrum, American rail spectrum, Germany high-velocity and low-velocity spectrum and so on, is the important exciting input of vehicle dynamics simulation and vibration experiment of the whole vehicles. The spectrum inversion theory is the trigonometric series method with random phases. The spectrum inversion procedure is designed on the platform of Labview. The two standard tools named LabSQL and MathScript are used to manage and play back the simulation data, respectively. The main advantages of Labview virtual instrument such as operation simplification, friendly interface are beneficial to application and operation of test person. The inversion procedure will improve the experiment technique and experiment ability of the high-speed train national engineering laboratory.

rail spectrum; Labview; LabSQL; inversion; procedure design

2016-07-27

蘭永霞(1970-)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向：人機(jī)工程。

U211.3

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.002