一种弹射起飞和拦阻着陆冲击载荷模拟装置及模拟方法与流程

本发明属于弹射起飞和拦阻着陆冲击载荷模拟技术领域，具体涉及一种弹射起飞和拦阻着陆冲击载荷模拟装置及模拟方法。

背景技术：

弹射起飞和拦阻着陆(以下简称弹射拦阻)冲击试验用于验证安装在固定翼飞机上或飞机内的装备在承受弹射拦阻时的功能和结构的完好性。gjb150.18a-2009《军用装备实验室环境试验方法第18部分：冲击试验》程序viii中规定：当没有测量数据时，采用阻尼正弦波来模拟弹射拦阻冲击载荷；当有测量数据时，采用时间历程波形来模拟弹射拦阻冲击载荷。然而，当前冲击试验基本不具备阻尼正弦波的冲击载荷模拟能力，尤其是三个方向的阻尼正弦波冲击载荷模拟能力。

根据调研，当前冲击试验主要采用三种方式进行，一是采用基本冲击试验条件来覆盖阻尼正弦波试验条件，缺点是造成过考核，不能准确模拟冲击试验条件；二是通过裁剪试验条件来近似处理，缺点是造成欠考核，也不能准确模拟冲击试验条件；三是采用气动方式分级加载来实现冲击试验条件的模拟，这种方式比较接近真实载荷工况，但是试验波形不是标准的阻尼正弦波，且试验准备时间长，多次冲击试验间隔时间长，试验效率低，试验重复性不好，难以保证多次冲击试验的一致性。

根据gjb150.18a-2009提出的阻尼正弦波冲击试验条件可用公式(1)表示。

a(t)＝ame^-ξωtsinωt,0≤t≤te(1)

式中，a为加速度；am为加速度幅值；ξ为阻尼比；ω为圆频率；t为时间；te为有效冲击时间。

如果按公式(1)产生数字加速度信号，对加速度信号进行数值积分得到速度和位移信号，设初始速度值和初始位移值为零。积分后的结果是：速度曲线除零时刻外，均在零线上方；位移曲线呈斜线不断上升。这样处理后的结果也导致了试验加载条件在工程上很难实现。

因此，发明一种能够大幅缩短位移同时又能精确模拟弹射拦阻冲击载荷的模拟装置和模拟方法是很有意义和应用前景的。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种弹射起飞和拦阻着陆冲击载荷模拟装置及模拟方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种弹射起飞和拦阻着陆冲击载荷模拟装置，包括：

弹射拦阻冲击波形控制单元；弹射拦阻冲击波形控制单元包括用于将弹射拦阻参考波形处理为液压伺服驱动方式下可以加载波形的波形预处理模块和用于波形高精度控制的波形修正控制模块；

用于实现冲击载荷加载装置闭环控制的伺服控制单元；

用于测量冲击载荷加载装置的位移、加速度的传感单元；

用于实现弹射拦阻冲击载荷加载的冲击载荷加载装置；传感单元安装在冲击载荷加载装置上；弹射拦阻参考波形从波形预处理模块的信号输入端输入，波形预处理模块的信号输出端与波形修正控制模块的信号输入端连接，伺服控制单元的信号输入端分别与波形修正控制模块的信号输出端和传感单元的信号输出端连接，伺服控制单元的信号输出端与冲击载荷加载装置的信号输入端连接。

一种弹射起飞和拦阻着陆冲击载荷模拟方法，包括以下步骤：

s1、启动弹射拦阻冲击波形控制单元、伺服控制单元和传感单元；将液压动力单元上电；

s2、伺服控制单元闭环，启动液压动力单元，并建立稳定油压；

s3、伺服控制单元驱动伺服阀及阀块组件给液压缸供油，液压缸推动台面及安装于台面上的试件，位移传感器实时反馈液压缸位移信号给伺服控制单元，伺服控制单元闭环控制直至液压缸达到工作初始位，完成试验准备，伺服控制单元进入外部输入模式；

s4、波形预处理模块根据设置的阻尼正弦波参数或导入的时间历程波形生成弹射拦阻冲击试验加速度目标波形，波形预处理模块对弹射拦阻冲击试验加速度目标波形进行预处理，完成预处理后波形预处理模块将生成的加速度参考波形发送给波形修正控制模块，完成波形修正控制模块中的系统频响函数估计和初始驱动波计算，得到低量级的驱动波形；

s5、波形修正控制模块将低量级的驱动波形发给伺服控制单元，伺服控制单元驱动伺服阀及阀块组件给液压缸供油，液压缸推动台面及安装于台面上的试件，完成一次低量级波形加载，位移传感器、加速度传感器实时反馈信号给伺服控制单元和波形修正控制模块，伺服控制单元修正迭代直至液压缸实现指定运动，波形修正控制模块根据反馈信号生成加速度实测波形并与低量级加速度参考波形比较，自动统计本次低量级加载误差；

s6、判断本次低量级加载误差是否满足允差要求，如不满足要求则再次进行波形修正控制模块中的波形误差修正，生成新的低量级驱动波形，并重复步骤s5，如满足要求则进行波形修正控制模块中的量级调整至试验满量级，并计算得到满量级的驱动波形；

s7、波形修正控制模块将满量级驱动波形发给伺服控制单元，伺服控制单元驱动伺服阀及阀块组件给液压缸供油，液压缸推动台面及安装于台面上的试件，完成一次满量级波形加载，试验次数加一，位移传感器、加速度传感器实时反馈信号给伺服控制单元，加速度传感器实时反馈信号给波形修正控制模块，伺服控制单元修正迭代直至液压缸实现指定运动，波形修正控制模块根据反馈信号生成加速度实测波形与等量级加速度参考波形比较，自动统计本次满量级加载误差；

s8、判断本次满量级加载误差是否满足允差要求，如满足要求则不改变满量级驱动波形，重复s7，直到总试验次数达到要求，加载试验完成；如不满足要求则再次进行波形修正控制模块中的波形误差修正，生成新的满量级驱动波形，重复s7，直到总试验次数达到要求，加载试验完成；

s9、伺服控制单元进入内部输入模式，伺服控制单元驱动伺服阀及阀块组件给液压缸供油，液压缸推动台面及安装于台面上的试件，位移传感器实时反馈信号给伺服控制单元，伺服控制单元修正迭代直至液压缸达到停机位置；

s10、液压动力单元降压，完成泄压后关闭液压动力单元；

s11、关闭弹射拦阻冲击波形控制单元、伺服控制单元和传感单元，液压动力单元断电，试验结束。

本发明的有益效果在于：

本申请全面解决了gjb150.18a-2009《军用装备实验室环境试验方法，第18部分：冲击试验》程序ⅷ中所规定的阻尼正弦波和时间历程波形的加载和控制问题，能够大幅缩短位移同时又能精确模拟弹射拦阻冲击载荷，具有重复性好、试验效率高等特点。

附图说明

图1是本申请中的模拟装置的结构框图；

图2是本申请中的模拟装置的结构示意图；

图3是本申请中的加速度前补偿法处理后的参考波形；a是位移；b是速度；c是加速度；

图4是本申请中的速度前补偿法处理后的参考波形；a是位移；b是速度；c是加速度；

图5是本申请中的最大位移拟合法处理后的参考波形；a是位移；b是速度；c是加速度；

图6是本申请中反馈积分法的单自由度模型图；

图7是本申请中的弹射拦阻冲击装置工作流程图。

图中：

1-弹射拦阻冲击波形控制单元；11-波形预处理模块；12-波形修正控制模块；

2-伺服控制单元；21-实时控制模块；22-信号调理模块；

31-位移传感器；32-加速度传感器；33-压差传感器；34-温度传感器；

4-水平冲击载荷加载单元；41-第一液压缸；42-第一伺服阀及阀块组件；43-连接装置；44-第一台面；45-导向装置；

5-竖向冲击载荷加载单元；51-第二液压缸；52-第二伺服阀及阀块组件；53-第二台面；54-防转装置；

6-液压动力单元；61-液压动力源；62-辅助动力源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，一种弹射起飞和拦阻着陆冲击载荷模拟装置，包括：

弹射拦阻冲击波形控制单元1；弹射拦阻冲击波形控制单元1包括用于将弹射拦阻参考波形处理为液压伺服驱动方式下可以加载波形的波形预处理模块11和用于波形高精度控制的波形修正控制模块12；

用于实现冲击载荷加载装置闭环控制的伺服控制单元2；

用于测量冲击载荷加载装置的位移、加速度的传感单元3；

用于实现弹射拦阻冲击载荷加载的冲击载荷加载装置；传感单元3安装在冲击载荷加载装置上；弹射拦阻参考波形从波形预处理模块11的信号输入端输入，波形预处理模块11的信号输出端与波形修正控制模块12的信号输入端连接，伺服控制单元2的信号输入端分别与波形修正控制模块12的信号输出端和传感单元3的信号输出端连接，伺服控制单元2的信号输出端与冲击载荷加载装置的信号输入端连接。

在波形预处理模块11中集成了波形预处理方法，波形预处理模块是用于将弹射拦阻参考波形处理为液压伺服驱动方式下可以加载波形；

在波形修正模块12集成了波形修正控制方法，用于波形高精度控制。

传感单元3用于测量冲击载荷加载装置的位移、加速度信号，将所测信号反馈到弹射拦阻冲击波形控制单元1和所述伺服控制单元2，参与试验控制。

如图1和图2所示，冲击载荷加载装置包括：

用于实现水平方向弹射拦阻冲击载荷加载的水平冲击载荷加载单元4；水平冲击载荷加载单元4包括第一液压缸41、第一伺服阀及阀块组件42、连接装置43、第一台面44和导向装置45；第一伺服阀及阀块组件42安装在第一液压缸41上，第一液压缸41通过连接装置43与第一台面44相连，导向装置45用于约束第一台面44沿单一方向运动；试验时试件安装在第一台面44上，第一伺服阀及阀块组件42用于控制第一液压缸41对第一台面44及其上的试件施加冲击荷载；

用于实现竖直方向弹射拦阻冲击载荷加载的竖向冲击载荷加载单元5；竖向冲击载荷加载单元5包括第二液压缸51、第二伺服阀及阀块组件52、第二台面53和防转装置54；第二伺服阀及阀块组件52安装于第二液压缸51上，第二液压缸51与第二台面53连接；防转装置54的两端分别安装于第二液压缸51和第二台面53上，对第二台面53进行约束，防止第二台面53及安装在第二台面53上的试件转动；第二伺服阀及阀块组件52用于控制第二液压缸51对第二台面53及其上的试件施加冲击荷载；

伺服控制单元2的信号输出端分别与水平冲击载荷加载单元4的信号输入端和竖向冲击载荷加载单元5的信号输入端连接

在本实施例中，具体为伺服控制单元2的信号输出端分别与第一伺服阀及阀块组件42的信号输入端、第二伺服阀及阀块组件52的信号输入端连接，第一伺服阀及阀块组件42再控制第一液压缸41动作，第二伺服阀及阀块组件52再控制第二液压缸51动作。

如图1和图2所示，冲击载荷模拟装置还包括液压动力单元6，液压动力单元6为水平冲击载荷加载单元4和竖向冲击载荷加载单元5提供液压动力。

如图1所示，在本实施例中，液压动力单元6包括：

液压动力源61；

辅助动力源62；通过液压动力源61和辅助动力源62对水平冲击载荷加载单元4和竖向冲击载荷加载单元5联合供油。供油需实现水平冲击载荷加载单元4和竖向冲击载荷加载单元5的高速瞬时大流量需求。

如图1和图2所示，传感单元3包括：

用于测量冲击载荷加载装置位移的位移传感器31；

用于测量冲击载荷加载装置加速度的加速度传感器32；

伺服控制单元2的信号输入端分别与位移传感器31的信号输出端、加速度传感器32的信号输出端连接，波形修正控制模块12的信号输入端与加速度传感器32的信号输出端连接。

如图1和图2所示，传感单元3还包括：

用于测量冲击载荷加载装置推力的压差传感器33；

用于测量液压动力单元6油液温度的温度传感器34，伺服控制单元2的信号输入端分别与温度传感器34的信号输出端、压力传感器33的信号输出端连接。

如图1和图2所示，进一步地，在一些实施例中，两组位移传感器分别内置于第一液压缸和第二液压缸内；两组加速度传感器分别安装于第一台面和第二台面上；两组压差传感器分别安装在第一伺服阀及阀块组件和第二伺服阀及阀块组件上；温度传感器安装于液压动力单元上；

如图1和图2所示，伺服控制单元2包括实时控制模块21和信号调理模块22，信号调理模块22的信号输入端分别与位移传感器31的信号输出端、加速度传感器32的信号输出端、压力传感器33的信号输出端、温度传感器34的信号输出端连接；信号调理模块22的信号输出端与实时控制模块21的信号输入端连接；实时控制模块21的信号输出端与信号调理模块22的信号输入端连接，实时控制模块21的输出信号经信号调理模块22放大后发送至冲击载荷加载装置。

如图7所示，一种弹射起飞和拦阻着陆冲击载荷模拟方法，包括以下步骤：

s1、启动弹射拦阻冲击波形控制单元1、伺服控制单元2和传感单元3；将液压动力单元6上电；

s2、伺服控制单元2闭环，启动液压动力单元6，并建立稳定油压；

s3、伺服控制单元2驱动伺服阀及阀块组件给液压缸供油，液压缸推动台面及安装于台面上的试件，位移传感器31实时反馈液压缸位移信号给伺服控制单元2，伺服控制单元2闭环控制直至液压缸41达到工作初始位，完成试验准备，伺服控制单元2进入外部输入模式；

s4、波形预处理模块11根据设置的阻尼正弦波参数或导入的时间历程波形生成弹射拦阻冲击试验加速度目标波形，波形预处理模块11对弹射拦阻冲击试验加速度目标波形进行预处理，完成预处理后波形预处理模块11将生成的加速度参考波形发送给波形修正控制模块12，完成波形修正控制模块12中的系统频响函数估计和初始驱动波计算，得到低量级的驱动波形；

s5、波形修正控制模块12将低量级的驱动波形发给伺服控制单元2，伺服控制单元2驱动伺服阀及阀块组件给液压缸供油，液压缸推动台面及安装于台面上的试件，完成一次低量级波形加载，位移传感器31、加速度传感器32实时反馈信号给伺服控制单元2和波形修正控制模块12，伺服控制单元2修正迭代直至液压缸实现指定运动，波形修正控制模块12根据反馈信号生成加速度实测波形并与低量级加速度参考波形比较，自动统计本次低量级加载误差；

s6、判断本次低量级加载误差是否满足允差要求(其中允差要求为峰值误差小于±10％，均方根误差小于±5％)，如不满足要求则再次进行波形修正控制模块12中的波形误差修正，生成新的低量级驱动波形，并重复步骤s5，如满足要求则进行波形修正控制模块12中的量级调整至试验满量级，并计算得到满量级的驱动波形；

s7、波形修正控制模块12将满量级驱动波形发给伺服控制单元2，伺服控制单元2驱动伺服阀及阀块组件给液压缸供油，液压缸推动台面及安装于台面上的试件，完成一次满量级波形加载，试验次数加一，位移传感器31、加速度传感器32实时反馈信号给伺服控制单元2，加速度传感器32实时反馈信号给波形修正控制模块12，伺服控制单元2修正迭代直至液压缸实现指定运动，波形修正控制模块12根据反馈信号生成加速度实测波形与等量级加速度参考波形比较，自动统计本次满量级加载误差；

s8、判断本次满量级加载误差是否满足允差要求(其中允差要求为峰值误差小于±10％，均方根误差小于±5％)，如满足要求则不改变满量级驱动波形，重复s7(期间监测温度传感器34示值波动小于±5℃)，直到总试验次数达到要求，加载试验完成；如不满足要求则再次进行波形修正控制模块12中的波形误差修正，生成新的满量级驱动波形，重复s7，直到总试验次数达到要求，加载试验完成；

s9、伺服控制单元2进入内部输入模式，伺服控制单元2驱动伺服阀及阀块组件给液压缸供油，液压缸推动台面及安装于台面上的试件，位移传感器31实时反馈信号给伺服控制单元2，伺服控制单元2修正迭代直至液压缸41达到停机位置；

s10、液压动力单元6降压，完成泄压后关闭液压动力单元6；

s11、关闭弹射拦阻冲击波形控制单元1、伺服控制单元2和传感单元3，液压动力单元6断电，试验结束。

在一些实施例中，在步骤s3、s5、s7、s9中，伺服控制单元2驱动第一伺服阀及阀块组件42给第一液压缸41供油，第一液压缸41推动第一台面44及安装于第一台面44上的试件，伺服控制单元2驱动第二伺服阀及阀块组件52给第二液压缸51供油，第二液压缸51推动第二台面53及安装于第二台面53上的试件。

如图7所示，在一些实施例中，波形预处理模块11对弹射拦阻冲击试验加速度目标波形进行预处理，包括以下步骤：

a1、加速度目标波形生成，为设置阻尼正弦波参数或导入时间历程波形，生成加速度目标波形；

a2、加速度目标波形预处理，采用阻尼正弦波处理方法或时间历程波形处理方法，获得加速度参考波形；

其中，阻尼正弦波优化处理方法包括加速度前补偿法、速度前补偿法、最大位移拟合法；加速度前补偿法为在原始加速度波前增加一段负向加速度，使波形在零时刻具有一个负向速度；速度前补偿法为在原始速度波形前补偿一段从零开始的负向速度，使速度从零起始；最大位移拟合法为采用单自由度系统模型，设初始位移为最大值，拟合得到加速度，该加速度的初始值即为标准阻尼正弦加速度波的第一个正峰值；

其中，时间历程波形处理方法为采用反馈积分法，将冲击加载装置简化为一个单自由度模型如图6所示，通过设置起始频率和阻尼，以及反馈积分，获得更为优化的零起始零结束的目标速度波和目标位移波。

在本实施例中，通过对弹射拦阻冲击试验加速度目标波形进行预处理，可以将gjb150.18a-2009《军用装备实验室环境试验方法第18部分：冲击试验》程序viii中规定的阻尼正弦波和时间历程波形所需的位移大幅缩短至液压伺服驱动方式易于实现的行程如某试验条件所需的位移由六米变为零点四米以内，同时处理后的参考速度波形从零起始；

如图7所示，波形修正控制模块12中的波形修正控制方法包括系统频响函数估计、初始驱动波计算、试验量级调整、波形误差修正，控制步骤如下：

a1、系统频响函数估计，通过设定系统频响函数估计量级，用弹射拦阻参考速度波作为驱动信号，进行频响函数估计；

a2、初始驱动波计算，根据辨识得到的频响函数并求逆，计算出初始驱动波形；

a3、试验量级调整，为通过设置非线性补偿因子，来减小因量级变化而带来的的非线性影响，减小控制误差；

a4、波形误差修正，为再次更新驱动信号以减小控制误差，此处的误差包括面积误差和峰值误差，面积误差根据面积误差修正方法进行修正，峰值误差根据峰值误差修正法进行修正。

在本实施例中，通过对波形修正控制，可以将gjb150.18a-2009《军用装备实验室环境试验方法第18部分：冲击试验》程序viii中规定的阻尼正弦波和时间历程波形控制精度达到峰值误差小于±10％，均方根误差小于±5％；

背景介绍：

标准阻尼正弦加速度波可用公式(1)表示。对公式(1)积分得到速度函数，可用公式(2)表示，再次积分得到位移函数，可用公式(3)表示。

为了避免位移曲线d(t)的平衡位置随着时间的变化漂移，则c1＝0。因此，初始速度可用公式(4)表示。

从公式(4)可得，初始速度不为零，造成工程上不易实现。

具体实施例：

加速度前补偿法，是在原始加速度波前增加一段负向加速度，补偿后的加速度函数可用公式(5)表示：

式中，a1(t)为补偿后的加速度曲线，δt是加速度前补偿时间长度。

图3示出了本申请中的加速度前补偿法处理后的参考波形；其中，a是位移；b是速度；c是加速度；

速度前补偿法，是在原始速度波形前补偿一段从零开始的负向速度，补偿后的速度函数采用公式(6)表示：

式中，v1(t)为补偿后的速度曲线，k为速度补偿系数。

对v1(t)进行微分和幅值修正处理，得到优化后的阻尼正弦加速度波。

图4示出了本申请中的速度前补偿法处理后的参考波形；a是位移；b是速度；c是加速度；

最大位移拟合法，是采用单自由度系统模型，设初始位移为最大值，单自由度系统模型用公式(7)表示：

式中，d(t)为位移，t为时间，m为质量，c为阻尼系数，k为弹簧的刚度。

设阻尼比圆频率带入公式(7)后得:

由于ξ＝1,可得2ξω＜ω，由二阶常系数线性微分方程的理论解可得：

d(t)＝ae^-ξωtsin(ω1t+θ)(9)

对d(t)进行两次微分和幅值修正后，得到优化后的阻尼正弦加速度波。

图5示出了本申请中的最大位移拟合法处理后的参考波形；a是位移；b是速度；c是加速度；

时间历程波形处理方法采用的反馈积分法，可用公式(10)表示：

其中,ku＝1，ω0＝0.5hz为起点频率，通常远离主频，ξ0为系统阻尼比，通常取0.4～0.6。

系统频响函数估计中，考虑到所测量的激励和响应信号都混有一定的噪声，直接求得的频响函数曲线将不会很光滑，可通过计算得到频域内的多个传递函数样本，并通过线性平均可以取得较好的频响函数平滑效果，计算公式如下：

式中，hm表示m个样本hi(i＝1,2…,m)中的样本；表示m个样本做第m次线性平均所得的频响函数。m为设置的平均次数。

系统相干函数表示系统输入与输出的相关程度，为了弥补系统较差的传递特性给下一步计算带来的不利影响，采用相干函数加权方法，计算公式如下：

式中，hm(ω)表示m次平均后的频响函数，γ(ω)为计算出的系统相干函数。

驱动波计算，根据辨识得到的频响函数并求逆，计算出初始驱动数据。

d(ω)＝h^-1(ω)*r(ω)(13)

式中，h^-1(ω)表示辨识频响函数的逆，r(ω)为当前量级的目标波fft谱，d(ω)为当前量级下计算的初始驱动信号fft谱。

将d(ω)进行ifft，可以得到时间历程的驱动信号d(t)。

试验量级调整，具体公式如下：

d′(t)＝λ*d(t)(14)

式中，d′(t)表示非线性补偿后的驱动信号，λ为非线性补偿因子，通常取0.45～0.6。

波形误差修正，为了进一步提高试验的控制精度，需要再次更新驱动信号以减小控制误差，包括面积误差和峰值误差。这里分别描述面积误差修正方法和峰值修正法。

a)面积误差修正法，已减小面积误差为目的，进一步修正驱动信号，具体公式如下：

式中，α为面积误差修正系数δ为面积误差修正因子，取0.5～0.7之间。

更新后的驱动d(k)，用公式(15)表示。

d(k)＝d(k-1)·α(16)

通过1～2次修正更新驱动信号，可以有效减小阻尼正弦波的控制面积误差。

b)峰值误差修正法，以减小峰值误差为目的，进一步修正驱动信号。在阻尼正弦冲击波试验控制中，通常峰值误差较大处都是处于控制波形的峰/谷处，通过选定控制误差较大的一处或多处，通过时域加窗法来修正驱动信号，以改善控制的峰值误差。半正弦时域窗定义如下：

式中，k为半正弦时域窗的宽度，通常阻尼正弦冲击波的半个周期。

误差峰值较大出，对应控制信号的数组索引为m1,m2,mikml，则建立的组合半正弦时域窗w(k)描述如下：

更新后的驱动d(k)用公式(19)表示。

d(k)＝d(k-1)·w(k)(19)

通过1～2次修正更新驱动信号，可以有效减小阻尼正弦波的控制峰值误差。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。