徐 飛 ,繆小冬，胡學(xué)敏

（1.鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，鹽城 224051；2.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210016）

0 引言

隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜、使用環(huán)境越來越惡劣，其使用可靠性問題已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中需要考慮的主要因素。因此，如何評估和提高產(chǎn)品的可靠性成為目前亟需解決的問題。響應(yīng)譜和疲勞損傷等效技術(shù)被廣泛用于制定振動(dòng)加速試驗(yàn)譜，進(jìn)而評估產(chǎn)品在振動(dòng)環(huán)境下的潛在損傷和疲勞壽命[1]。Kelly首先提出了脈沖響應(yīng)不變數(shù)字濾波器法來處理沖擊信號[2]。為了減小脈沖響應(yīng)不變法引入的誤差，Smallwood提出了斜階躍響應(yīng)不變法來提高沖擊響應(yīng)譜（Shock Response Spectrum，SRS）的計(jì)算精度[3]。Ahlin給出了利用斜階躍響應(yīng)不變法計(jì)算SRS和疲勞損傷譜（Fatigue Damage Spectrum，F(xiàn)DS）的MATLAB程序[4，5]。Anders Brandt對比了脈沖響應(yīng)不變法、斜階躍響應(yīng)不變法和Runge-Kutta方法在線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的計(jì)算結(jié)果，指出數(shù)字濾波器法在計(jì)算速度、解的穩(wěn)定性、動(dòng)力學(xué)范圍以及誤差的可控性方面都明顯優(yōu)于Runge-Kutta[6]。ISO18431-4給出了利用斜階躍響應(yīng)不變法計(jì)算SRS的具體過程，并分析了該方法引入的偏置誤差，指出該誤差只取決于采樣頻率[7]。Magnevall等人給出了利用斜階躍響應(yīng)不變法計(jì)算非線性力學(xué)系統(tǒng)強(qiáng)迫響應(yīng)的方法[8，9]。對于非線性系統(tǒng)辨識(shí)，陳友聲指出數(shù)字濾波器法比四階Runge-Kutta法更準(zhǔn)確[10]。近年來，利用斜階躍響應(yīng)不變法計(jì)算SRS[11～13]、極值響應(yīng)譜（Extreme Response Spectrum，ERS）和FDS[14～18]，從而評估振動(dòng)與沖擊環(huán)境及推導(dǎo)試驗(yàn)譜等已得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[19～23]。然而，現(xiàn)有斜階躍響應(yīng)不變法引入的誤差依然較大。為進(jìn)一步減小誤差，本文提出了基于數(shù)字濾波器卷積核模型的系統(tǒng)響應(yīng)誤差分析方法，在此基礎(chǔ)上對比了脈沖響應(yīng)不變法、階躍響應(yīng)不變法、中心階躍響應(yīng)不變法、斜階躍響應(yīng)不變法及三點(diǎn)拉格朗日法引入的偏置誤差和相位誤差，并基于三點(diǎn)拉格朗日數(shù)字濾波器對FDS和ERS進(jìn)行了優(yōu)化分析，最后結(jié)合案例對上述過程進(jìn)行了闡述。

1 理論建模

1.1 基于數(shù)字濾波器的系統(tǒng)強(qiáng)迫響應(yīng)計(jì)算模型

對于時(shí)域信號，線性時(shí)不變力學(xué)系統(tǒng)的強(qiáng)迫響應(yīng)等于激勵(lì)信號與脈沖響應(yīng)信號的卷積：

其中，x（t）為響應(yīng)，f（t）為激勵(lì)，h（t）為脈沖響應(yīng)信號。對于一個(gè)簡單模擬系統(tǒng)：

其中s為拉普拉斯變量。該系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)為：

由式(1)和(3)可得，對于離散信號：

其中，T為采樣時(shí)間。

由式(4)可知，x（nT+T）可由前一個(gè)時(shí)間步的響應(yīng)x（xT）和[nT，nT+T]之間的輸入求得，系統(tǒng)的影響取決于exp（-aT）。對[nT，nT+T]之間的激勵(lì)的近似插值方法定義了數(shù)字濾波器方法。本文分析的數(shù)字濾波器方法包括脈沖響應(yīng)不變法、階躍響應(yīng)不變法、中心階躍響應(yīng)不變法、斜階躍響應(yīng)不變法以及三點(diǎn)拉格朗日法，如圖1所示。

圖1 不同數(shù)字濾波器法在[0,T]對激勵(lì)的近似插值

以脈沖響應(yīng)不變法為例，由式(4)可得：

由式(5)可得：

式(6)可轉(zhuǎn)換成如下數(shù)字濾波器形式：

其中，bi和aj為數(shù)字濾波器系數(shù)，Nb和Na為數(shù)字濾波器階數(shù)，其值取決于所采用的數(shù)字濾波器方法。

在此基礎(chǔ)上考慮一個(gè)Q輸入P輸出的多自由度線性力學(xué)系統(tǒng)，其系統(tǒng)傳遞函數(shù)可表示為模態(tài)模型：

其中，Nm為模態(tài)階數(shù)，[Rr]P×Q和Pr分別為系統(tǒng)第r階模態(tài)的留數(shù)矩陣和極點(diǎn)，上標(biāo)?表示復(fù)共軛。

由式(6)和式(8)可知，對于q點(diǎn)輸入p點(diǎn)輸出的多自由度系統(tǒng)的每一階模態(tài)，其基于脈沖響應(yīng)不變法的z域頻響函數(shù)可表示為：

再結(jié)合式(7)可知，利用任何一種數(shù)字濾波器可將多自由度系統(tǒng)在q點(diǎn)輸入下p點(diǎn)的強(qiáng)迫響應(yīng)表示為：

因此，構(gòu)造出不同數(shù)字濾波器的系數(shù)即可求解多自由度系統(tǒng)在任意激勵(lì)下的強(qiáng)迫響應(yīng)。此外，由于所有采樣系統(tǒng)均含有混疊效應(yīng)，響應(yīng)信號混疊后的頻譜Xa（f）等于理論頻譜X（f）與其經(jīng)過頻移后的頻譜的疊加：

其中，Nal表示需要考慮的經(jīng)過頻移后的頻譜的個(gè)數(shù)。

1.2 基于卷積核的響應(yīng)誤差分析

各種數(shù)字濾波器方法對于輸入信號在單位采樣時(shí)間內(nèi)的插值近似都可看成是時(shí)域激勵(lì)信號與各濾波器卷積核的卷積，該卷積對應(yīng)于頻域的乘積。不同數(shù)字濾波器方法的卷積核及其傅里葉變換如下：

1）脈沖響應(yīng)不變法：

2）階躍響應(yīng)不變法：

3）中心階躍響應(yīng)不變法：

4）斜階躍響應(yīng)不變法：

5）三點(diǎn)拉格朗日法：

由式(13)、式(15)、式(17)、式(19)及式(21)可知，五種濾波器方法的偏置誤差（%）和相位誤差分別為：

1.3 基于數(shù)字濾波器法的FDS和ERS模型

響應(yīng)譜常被用于評估振動(dòng)環(huán)境、對比振動(dòng)量級以及推導(dǎo)試驗(yàn)譜。最常見的振動(dòng)響應(yīng)譜包括FDS和ERS。FDS本質(zhì)上描述了一系列單自由度系統(tǒng)對同一個(gè)加速度激勵(lì)的響應(yīng)，各個(gè)單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)被轉(zhuǎn)換成一定時(shí)間內(nèi)的疲勞損傷并與其共振頻率形成一一對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 FDS計(jì)算流程

在輸入加速度x(t)下，一個(gè)共振頻率為fn，阻尼比為ζ的單自由度系統(tǒng)的加速度輸出xa可利用1.1節(jié)介紹的數(shù)字濾波器求解：

其中，a和b為所采用的數(shù)字濾波器的系數(shù)，filter為MATLAB函數(shù)。

在時(shí)域計(jì)算FDS時(shí)利用雨流計(jì)數(shù)法對各應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后結(jié)合S-N曲線和Miner準(zhǔn)則計(jì)算疲勞損傷量（本文假設(shè)應(yīng)力與加速度成正比）：

其中，ni表示在應(yīng)力Si下的循環(huán)次數(shù)，p為所考慮的應(yīng)力量級數(shù)，Ni為應(yīng)力Si下的疲勞壽命，b為疲勞指數(shù)，D為時(shí)域總損傷。

ERS和FDS類似，不同之處在于ERS表示各單自由度系統(tǒng)的最大響應(yīng)值與其共振頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，即：

2 仿真案例

2.1 基于數(shù)字濾波器的響應(yīng)誤差對比

以一個(gè)單自由度系統(tǒng)為例，詳細(xì)對比不同數(shù)字濾波器法對混疊誤差的減少作用以及引入的偏置和相位誤差。單自由度系統(tǒng)參數(shù)如下：m=1kg，c=6N·s/m，k=10kN/m，采樣頻率fs=80Hz。對系統(tǒng)施加單位脈沖激勵(lì)，對比理論頻響函數(shù)（Frequency Response Function，F(xiàn)RF）和由采樣導(dǎo)致的混疊后的FRF，如圖3所示。

圖3 理論與濕疊后的FRF

圖4給出了各卷積核的傅里葉變換。從圖4可以看出，脈沖響應(yīng)不變法的卷積核的傅里葉變換為1，因此不能有效減小混疊效應(yīng)；階躍響應(yīng)不變法和中心階躍響應(yīng)不變法的卷積核的傅里葉變換幅值相等，在不考慮相位的情況下對混疊效應(yīng)的減小程度是一樣的；三點(diǎn)拉格朗日法能夠最大程度上減小混疊效應(yīng)。

圖4 不同卷積核的傅里葉變換

圖5對比了理論FRF和采用數(shù)字濾波器方法得到的FRF。從圖5可以看出，這五種數(shù)字濾波器方法得到的FRF都偏離了理論FRF。其中，結(jié)合圖4可以看出，脈沖響應(yīng)不變法的FRF偏離理論FRF并不是由于引入了偏置誤差，而是混疊引起的。其他方法均引入了偏置誤差，且偏置誤差隨著信號最高頻率和采樣率之比的增大而增大，如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)采樣頻率大于信號最高頻率的10倍以上時(shí)，數(shù)字濾波器法的偏置誤差均小于5%，其中三點(diǎn)拉格朗日法偏置誤差最小并接近0。

圖5 FRF的理論值和數(shù)字濾波器求解值

圖6 偏置誤差對比

圖7給出了不同數(shù)字濾波器方法引入的相位誤差。從圖7可以看出，脈沖響應(yīng)不變法，中心階躍響應(yīng)不變法以及斜階躍響應(yīng)不變法沒有相位誤差，階躍響應(yīng)不變法和三點(diǎn)拉格朗日法的相位誤差隨著信號最高頻率和采樣率之比的增大而增大，當(dāng)采樣頻率大于信號最高頻率的10倍以上時(shí)，除階躍響應(yīng)不變法外其他濾波器法的相位誤差均接近0。以拉格朗日濾波器為例，圖8對比了理論FRF，利用數(shù)字濾波器得到的FRF以及利用卷積核和混疊得到的FRF。從圖8可以看出，利用數(shù)字濾波器得到的FRF以及利用卷積核和混疊得到的FRF完全吻合，表明卷積核可完全解釋數(shù)字濾波器引入的誤差。

圖7 相位誤差對比

圖8 拉格朗日數(shù)字濾波器方法卷積核的驗(yàn)證

2.2 基于數(shù)字濾波器的響應(yīng)譜優(yōu)化分析

假設(shè)激勵(lì)加速度信號為x（t），持續(xù)時(shí)間為60s，頻率范圍2Hz～40Hz，功率譜密度為0.01g2/Hz。令質(zhì)量因子Q=10，疲勞指數(shù)b=4，分別基于斜階躍響應(yīng)不變法和三點(diǎn)拉格朗日法計(jì)算位移FDS和ERS。為對比不同采樣頻率下兩種濾波器計(jì)算結(jié)果，分別令采樣頻率為激勵(lì)信號最大頻率的2、4、6、10倍，結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 遞增采樣頻率下基于斜階躍響應(yīng)不變法與拉格朗日法計(jì)算的FDS

圖10 遞增采樣頻率下基于斜階躍響應(yīng)不變法與拉格朗日法計(jì)算的ERS

從圖9和圖10可以看出，利用兩種數(shù)字濾波器方法得到的FDS和ERS隨著采樣頻率的增大而趨于收斂；在給定采樣頻率下，共振頻率越大，利用拉格朗日法得到的FDS和ERS越準(zhǔn)確；即使采樣頻率達(dá)到10倍的激勵(lì)信號最大頻率，利用拉格朗日法得到的FDS和ERS依然比斜階躍響應(yīng)不變法更準(zhǔn)確。

利用兩種數(shù)字濾波器法計(jì)算得到的FDS和ERS的相對誤差最大值與采樣頻率的關(guān)系如圖11所示。從圖11可以看出，隨著采樣頻率的增大，利用兩種濾波器得到的FDS和ERS相對誤差減?。划?dāng)采樣頻率為激勵(lì)最高頻率（40Hz）的10倍時(shí)，F(xiàn)DS誤差超過10%，ERS誤差在2%到3%之間；當(dāng)采樣頻率約為激勵(lì)最高頻率的15倍時(shí)，F(xiàn)DS誤差小于5%；ERS誤差明顯小于FDS誤差。

圖11 基于斜階躍響應(yīng)不變法與拉格朗日法計(jì)算的FDS和ERS相對誤差

3 結(jié)語

本文詳細(xì)對比了脈沖響應(yīng)不變法、階躍響應(yīng)不變法、中心階躍響應(yīng)不變法、斜階躍響應(yīng)不變法以及三點(diǎn)拉格朗日法引入的偏置誤差及相位誤差，并基于三點(diǎn)拉格朗日數(shù)字濾波器對FDS和ERS進(jìn)行了優(yōu)化分析。結(jié)論如下：

1）脈沖響應(yīng)不變法不能有效減小混疊效應(yīng)，因此不推薦使用。其他四種數(shù)字濾波器方法可有效減小混疊效應(yīng)，且三點(diǎn)拉格朗日法能夠在最大程度上減小混疊效應(yīng)；

2）采樣頻率大于激勵(lì)信號最高頻率10倍以上時(shí)，各濾波器偏置誤差均小于5%，其中三點(diǎn)拉格朗日法偏置誤差最小且接近0；

3）當(dāng)采樣頻率大于激勵(lì)最高頻率的10倍以上時(shí)，除階躍響應(yīng)不變法外其他濾波器法的相位誤差均等于或接近0；

4）即使采樣頻率大于激勵(lì)最高頻率10倍以上，相比斜階躍響應(yīng)不變法，利用三點(diǎn)拉格朗日法計(jì)算得到的FDS和ERS依然更加準(zhǔn)確，且FDS精度提高10%以上；

綜上所述，三點(diǎn)拉格朗日法引入的誤差最小，應(yīng)該取代目前常用的斜階躍響應(yīng)不變法用于線性力學(xué)系統(tǒng)的強(qiáng)迫響應(yīng)和振動(dòng)響應(yīng)譜計(jì)算，以提高試驗(yàn)譜推導(dǎo)和振動(dòng)臺(tái)閉環(huán)控制精度。下一步將繼續(xù)研究三點(diǎn)拉格朗日法在超高斯隨機(jī)振動(dòng)和非線性系統(tǒng)的強(qiáng)迫響應(yīng)方面的應(yīng)用。