随机振动基础知识培训课件.ppt

1、.1随机振动基础知识培训.2我们知道有这样一类载荷:作用在楼房和桥梁上的风载荷;作用在海洋平台和船舰上的水动力荷载;作用在楼房和坝体上的地震荷载.这类荷载的特点是随时间在强度和频率含量有很大的变化.对于这类载荷中的一条记录,它是确定的,用在以前的结构动力学的课程中知识我们可以求得数值觧.但是这样的一个觧很少有实用价值,原因是我们用的一条记录,那是以前发生的,将来发生的记录是不会和过去的记录一样的.这样,我们不能知道将来的精确的情况,但还要估计一个大概可能的结果.这就是随机动力学要解决的问题.如果结构本身的参数也存在不确定性,这更是随机结构动力学要解决的问题.1.1 工程系统中的随机性.3按随机

2、性的来源分:一个是激励过程的随机性,这是随机振动理论主要解决的问题;一个是振动系统的参数的随机性,这是参数随机振动理论.正问题和反问题:已知输入和系统求输出这是正问题,称为响应确定问题;已知输入和输出求系统的参数这是反问题,称为系统识别问题,我们这门课程不涉及,有专门课程.非线性的来源分:一个是振荡系统的力学参数的非线性,对于地震工程来说,一般是指迟滞行为,这样的系统常常显示复杂的非线性现象,例如多吸引子,跳跃现象,分岔和混沌;1.2 随机问题的分类.42.1 傅里叶变换.52.1 傅里叶变换.62.1 傅里叶变换.72.1 傅里叶变换.82.2 功率谱密度.92.2 功率谱密度等频带等差关系

3、等差数列倍频带等比关系等比数列1/3倍频带1/12倍频带.102.2 功率谱密度人体振动反应对频率敏感；垂直振动敏感区域48HZ,水平是2HZ以下；时间越长人体能够不疲劳地承受的加速度均方根值就越小dffSiiffxix)(上下.112.2 功率谱密度22()21()2xp xe均方根值(Root Mean SquareRMS)，又称有效值：22RMS()()E Xx p x dx标准差(Standard Deviation)22()()()EXxp x dx.123.1 功率谱密度曲线与振动夹具的影响功率谱密度曲线影响的一个极端例子：环境1：10-20Hz，1g2/Hz，20-30Hz，0.

4、1g2/Hz环境2：10-20Hz，0.1g2/Hz，20-30Hz，1g2/Hz两中环境的有效值均为 3.3g。产品的共振频率为15Hz，对20-30Hz内的振动放大5倍（功率谱密度放大25倍），则在两种环境下产品的响应分别为：5.9g和15.8g，相差巨大。dffSiiffxix)(上下.133.1 功率谱密度曲线与振动夹具的影响功率谱密度曲线影响的一个极端例子：环境1：10-20Hz，1g2/Hz，20-30Hz，0.1g2/Hz环境2：10-20Hz，0.1g2/Hz，20-30Hz，1g2/Hz两中环境的有效值均为 3.3g。产品的共振频率为15Hz，对20-30Hz内的振动放大5倍

5、（功率谱密度放大25倍），则在两种环境下产品的响应分别为：5.9g和15.8g，相差巨大。.143.2 振动夹具的设计与要求1.尽量增加夹具的刚度：尽量不使用梁类、板壳类结构。连接部位使用焊接处理。与底板连接部部位尽量分散。2.合理增加夹具的质量：夹具振动中的有效质量最好大于产品的10倍。.153.2 振动夹具的设计与要求.163.2 振动夹具的设计与要求1.在正弦振动条件下，试件任一安装孔位置附近（比如传感器固定中心点与安装孔中心位置之间的距离10mm以内）的实测幅值误差不得超过规定值的10%2.在随机振动条件下，试件任一安装孔附近（比如传感器固定中心点与安装孔中心位置之间的距离10mm以内

6、）位置在任一频率下其加速度功率谱密度保持在规定值的2dB到-1dB之内，有难度时，500Hz以内时应在-3dB到3dB之内，500Hz以上时应在-6dB到3dB之内。超过允许误差的累积带宽应限制在整个试验频带范围的5%以内。3.在任何频率上，相互正交并与试验驱动轴正交的两个轴上的振动加速度应不大于试验轴向加速度的0.45倍（或加速度功率谱密度的0.2倍），随机振动时，允许在累积频率不超过300Hz内超出以上限制。.17随机振动试验：在实验室利用振动台等振动设备模拟结构在实际中的随机振动环境，对结构的强度、可靠性、寿命等进行检验和确认。随机振动试验基本框图：4.1 随机振动试验概况.18电液式：

7、低频、大推力-建筑、机械地震、路面振动模拟三维地震试验台（日本名古屋工业大学）车辆道路模拟试验台（MTSTM公司329型6自由度车辆试验台）4.2 振动台.19电动式：宽频带、大加速度飞行器与机载设备振动环境试验试验标准：MIL-STD-810、GJB1504.2 振动台（续）.20试验基本方法：通过控制器（计算机、数据采集与发送系统）使振动台面产生满足设定的参考谱要求的随机振动。典型加速度参考谱：4.3 随机振动试验参考谱.21倍频程octave22112,11xfffxxf与 之间有 个倍频程，时为 倍频程分贝decibel2110logdBWWW（为加速度谱值）4.3 随机振动试验参考谱

8、（续）.2221PSDPSDffxn两个频率点 与 之间的值相差分贝数，由这两个频率之间的倍频程数 和每倍频程变化的分贝数 来描述：2211log()()10log()log2uufnWffnxWf10log23222111()()nnuuWfffWfff采用双对数坐标时，两点间连线的倾角为：21212121()log()log()log()loglog3loguuuuWfWfWfWfnmffff4.3 随机振动试验参考谱（续）.2332221111()()()nmuuuffWfWfWfff212111211221122()()()11()11frmsufmumuuE u tWf dfWfff

9、mfWfffffmf12ff 之间的均方根值4.3 随机振动试验参考谱（续）.24212220Hz,150Hz,()0.02g/Hz23uffWfnm242112220()()0.023.556 10 g/Hz150muufWfWff122122 1()110.02 1502011.000g21150murmsWfffumf4.4 随机振动试验参考谱：例题.25梯形谱总均方根值计算4.5 随机振动试验参考谱：总均方根值计算.26上升段：1122111112()1,013mW fffnAmmf平直段：2232()AW fff下降段：213343223()1,11mW fffAmmf 当m2=-1

10、时，应用罗比达法则可得4333232.30()log,1fAW ffmf 4.5 随机振动试验参考谱：总均方根值计算（续）.27123rmsGAAA120.050.0125loglog0.0050.051.00,1.00,1002000loglog10500mm 4.5 随机振动试验参考谱：总均方根值计算（续）.28112221112()12.48g1mW fffAmf22232243333()20.00g2.30()log34.62gAW ffffAW fff1237.56grmsGAAA4.5 随机振动试验参考谱：总均方根值计算（续）.29随机驱动信号的生成1212,.,.,nnd ddy

11、 yy为振动台驱动信号为试件响应信号多输入多输出随机振动控制的目标是使控制谱和参考谱一致()()()()()HfffffyyddSGSGR()fddSHddSARA1AG4.6 随机振动试验：驱动信号的生成.30Cholesky分解 HRLLHddSDDDAL补充随机相位 DALP()()()HHHyySGA L PPLGA在实际的试验系统中，由于频响函数测量误差、系统非线性和输入输出噪声等的影响导致 GAI必须在控制系统中加入反馈修正环节，进行逐次迭代修正 4.6 随机振动试验：驱动信号的生成（续）.31差分控制算法令GAIEnewold LL,newoldold()()()()()HHHy

12、ySIEL PPLIER省略二次高阶小量 oldold,oldHHyyLLRSE4.7 随机振动试验：控制算法.3211111111111111*11*12(2,.,)()(2,.,)2()(1,.,)jjjjjjji jiji jiijjjjkjkkk jkji kiki jiijkjjeleljNlelljNlellljkNl4.7 随机振动试验：控制算法（续）.33比例均方根控制算法（不考虑互谱）2*1111 21111*2*21 1122 1221 2122211222*12111()()|()()HHNNNHNNNNjjNjjNj Njjjjll ll ll ll ll lll ll

13、 ll ll ll lyySIE LLIEIEIE4.7 随机振动试验：控制算法（续）.34newdiagold LL令22*1111 2 11 211111*2*2*1 221 1122 12221 21222211222*2*1122111|()(|)()()()NNNNNHNNNNNjjNNjjNNj Njjjjll ll ll ll ll lll ll ll ll ll l IEIER2,(1)jjjyy jjrjNs4.7 随机振动试验：控制算法（续）.3511,1122,22diag,newdiagoldyyyyNNyy NNrsrsrsLL 4.7 随机振动试验：控制算法（续）.

14、36比例均方根控制算法框图 4.7 随机振动试验：控制算法（续）.37驱动信号的实现DALP1200jjee P是随机相位矩阵 P,i 均匀分布做逆傅里叶变换就可以得到一帧伪随机驱动信号 对D4.8 随机振动试验：驱动信号时域随机化.3811122122()()()()()()dtdttIFFTdtdtdD经过时域随机化处理后得到真随机驱动信号 11122122()()()()()dtdttdtdtd4.8 随机振动试验：驱动信号时域随机化（续）.39窗函数窗函数 W(t):4.8 随机振动试验：驱动信号时域随机化（续）.404.9 应用实例(I)双振动台随机振动试验控制频率拐点(Hz)功率谱

15、密度（g2/Hz）均方根值RMS（g）参考谱1101780.00020.7430010000.000410002000-6dB/Oct 下降参考谱21010000.00040.7710002000-6dB/Oct 下降参考谱及其参数.41RMS（g）RMS 误差（%）3dB 容差（%）6dB 容差（%）控制谱10.739-0.41.30.0控制谱20.7892.18.30.8双振动台随机振动控制效果双振动台随机振动控制效果4.9 应用实例(I)双振动台随机振动试验控制（续）.424.9 应用实例(II)三轴向随机振动试验控制试验装置试验装置.43123 误差:RMS:4.03%,警告线:1.0

16、2%,退出线:0.00%参考谱 1 RMS:0.027g 控制谱 1 RMS:0.028g频率(Hz)10010002010001.0E-081.0E-071.0E-061.0E-05 误 差:RMS:2.49%,警 告 线:1.53%,退 出 线:0.00%参 考 谱2 RMS:0.031g 控 制 谱2 RMS:0.032g频 率(Hz)10010002010001.0E-081.0E-071.0E-061.0E-05 误差:RMS:6.73%,警告线:4.07%,退出线:0.00%参考谱3 RMS:0.031g 控制谱3 RMS:0.033g频率(Hz)10010002010001.0E-081.0E-071.0E-061.0E-054.9 应用实例(II)三轴向随机振动试验控制（续）.444.9 应用实例(III)三轴向振动台随机振动试验控制10210310-710-6频 率/Hz(a)控 制 点 1自谱密度/g2H-110210310-810-7频 率/Hz(b)控 制 点 2自谱密度/g2H-110210310-710-6频 率/Hz(c)控 制 点 3自谱密度/g2H-1