基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法

本申请涉及车辆动力学仿真，具体地，涉及一种基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法。

背景技术：

1、电气化公路通过在道路上方布置接触网并由车载受电弓取流，实现公路车辆运行过程中的动态供电。与铁路车辆相比，公路车辆受道路不平顺、轮胎—悬架系统、驾驶室悬置及车体姿态变化影响更为明显，受电弓底座会产生垂向振动、俯仰和侧倾等复杂边界运动。上述振动将直接改变受电弓滑板与接触线之间的相对位移和接触力，从而影响受流稳定性、离线风险和弓网部件服役寿命。

2、现有弓网仿真中常采用单频正弦、标准随机路面谱或经验幅值作为受电弓底座输入，该类方法难以反映实测受电弓底座振动的真实频谱特征。特别是在电气化公路场景下，车辆振动传递路径复杂，受电弓底座功率谱密度往往具有明显的多峰值、低频放大和中高频衰减特征，若直接以单一正弦函数或未经校准的随机信号作为边界激励，将导致弓网接触力仿真结果与实测工况存在偏差。

技术实现思路

1、本申请提供一种基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，能够更真实地描述电气化公路车辆振动对受电弓底座的频域作用。

2、本申请提供的一种基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，包括：

3、基于获取到的目标测点的实测响应信号，计算目标功率谱密度；

4、基于所述目标功率谱密度构造目标谱包络，基于目标谱包络和频带补偿函数确定等效边界输入谱，所述频带补偿函数基于车辆动力学传递模型建立的传递关系所计算的仿真响应谱进行迭代修正；

5、基于所述等效边界输入谱生成单通道基准时程，并利用车辆刚体运动模态的空间相位关系，将所述单通道基准时程映射为多维边界激励；

6、基于所述多维边界激励和所述传递关系，计算受电弓底座的振动信号。

7、可选地，所述频带补偿函数包括局部补偿项和宽频趋势补偿项；

8、所述局部补偿项用于修正基于所述传递关系计算的仿真响应谱与所述目标功率谱密度在局部频带内的幅值偏差；

9、所述宽频趋势补偿项用于修正所述仿真响应谱与所述目标功率谱密度在预设宽频频段内的整体谱幅偏差。

10、可选地，所述频带补偿函数的计算公式为：

11、；

12、其中，为所述频带补偿函数，为当前频率，为第j个局部频带的补偿幅值，为第j个频带的补偿中心频率，为第j个频带的补偿宽度，为所述局部补偿项，为宽频趋势补偿幅值，为最大频率，为指数参数，为所述宽频趋势补偿项。

13、可选地，所述迭代修正的过程包括：

14、执行叠加步骤，所述叠加步骤包括将所述目标谱包络与所述频带补偿函数叠加，得到所述等效边界输入谱；

15、执行输入步骤，所述输入步骤包括基于所述等效边界输入谱和所述传递关系，计算得到所述仿真响应谱；

16、执行调整步骤，所述调整步骤包括若所述仿真响应谱在目标频带内高于所述目标功率谱密度，则降低所述目标频带对应的所述补偿幅值或所述宽频趋势补偿幅值；若所述仿真响应谱在所述目标频带内低于所述目标功率谱密度，则提高所述目标频带对应的所述补偿幅值或所述宽频趋势补偿幅值；

17、重复执行所述叠加步骤、所述输入步骤和所述调整步骤，直至所述仿真响应谱与所述目标功率谱密度的偏差满足预设收敛条件。

18、可选地，所述多维边界激励包括垂向激励、侧倾激励和俯仰激励，所述利用车辆刚体运动模态的空间相位关系将所述单通道基准时程映射为多维边界激励，包括：

19、将所述单通道基准时程以同相输入方式映射至车辆的多个支撑角点，生成所述垂向激励；

20、将所述单通道基准时程以左右反相输入方式映射至所述多个支撑角点，生成所述侧倾激励；

21、将所述单通道基准时程以前后反相输入方式映射至所述多个支撑角点，生成所述俯仰激励。

22、可选地，所述基于所述等效边界输入谱生成单通道基准时程，包括：

23、将所述等效边界输入谱离散为多个离散频率分量；

24、基于所述多个离散频率分量中每个离散频率分量对应的功率谱密度值和频率分辨率，计算对应的位移幅值；

25、基于所述位移幅值、所述离散频率分量和随机相位，通过叠加生成所述单通道基准时程；

26、所述单通道基准时程的计算公式为：

27、；

28、其中，为所述单通道基准时程，为参与合成的所述离散频率分量的总数，为第k个所述离散频率分量对应的所述位移幅值，为第k个所述离散频率分量，为所述随机相位。

29、可选地，所述基于所述目标功率谱密度构造目标谱包络，包括：

30、从所述目标功率谱密度的曲线中提取关键频率点，所述关键频率点包括局部峰值点、局部谷值点、频带边界点以及谱线斜率变化点中的至少一种；

31、基于所述关键频率点及其对应的功率谱密度值，采用分段插值方法构造连续的所述目标谱包络。

32、可选地，所述车辆动力学传递模型为多自由度耦合动力学模型，所述基于所述等效边界输入谱和所述传递关系，计算得到所述仿真响应谱，包括：

33、基于所述传递关系，将所述多维边界激励施加于多个支撑角点，计算车辆质心的垂向位移和绕预设坐标轴的转角；

34、基于所述车辆质心的垂向位移、所述转角以及所述车辆质心至所述目标测点的位置参数，计算所述目标测点的垂向位移和姿态角；

35、基于所述目标测点的垂向位移和姿态角，确定所述仿真响应谱。

36、可选地，所述目标功率谱密度的计算方式包括：

37、对所述实测响应信号进行分段处理，得到多段信号；

38、对每段信号施加窗函数后进行快速傅里叶变换；

39、对各段信号的变换结果求平均，得到所述目标功率谱密度。

40、可选地，所述等效边界输入谱的生成方式包括：

41、将所述目标谱包络与所述频带补偿函数在对数域进行叠加；

42、将叠加结果从对数域转换至线性域，得到所述等效边界输入谱。

43、如上所述，本申请提供的一种基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，具有以下有益效果：

44、本申请提供的基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，通过引入频带补偿函数，并结合车辆动力学传递模型进行迭代修正，能够有效抵消车辆系统传递特性对振动信号的幅值畸变。相比于直接采用标准谱或经验公式，该方法反演出的等效边界输入谱经模型传递后，能够在主峰位置、频带能量分布及整体趋势上与实测目标功率谱密度保持一致，能够达到提升仿真边界条件的频域真实性的效果。另外，利用车辆刚体运动模态的空间相位关系，将单通道基准时程映射为垂向、侧倾和俯仰多维边界激励，不仅可以还原车辆在实际运行中复杂的姿态耦合振动，还可以确保各维度激励在频域统计特性上的一致性。

1.一种基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，其特征在于，所述频带补偿函数包括局部补偿项和宽频趋势补偿项；

3.根据权利要求2所述的基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，其特征在于，所述频带补偿函数的计算公式为：

4.根据权利要求2所述的基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，其特征在于，所述迭代修正的过程包括：

5.根据权利要求1所述的基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，其特征在于，所述多维边界激励包括垂向激励、侧倾激励和俯仰激励，所述利用车辆刚体运动模态的空间相位关系将所述单通道基准时程映射为多维边界激励，包括：

6.根据权利要求1所述的基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，其特征在于，所述基于所述等效边界输入谱生成单通道基准时程，包括：

7.根据权利要求1所述的基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，其特征在于，所述基于所述目标功率谱密度构造目标谱包络，包括：

8.根据权利要求4所述的基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，其特征在于，所述车辆动力学传递模型为多自由度耦合动力学模型，所述基于所述等效边界输入谱和所述传递关系，计算得到所述仿真响应谱，包括：

9.根据权利要求1所述的基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，其特征在于，所述目标功率谱密度的计算方式包括：

10.根据权利要求1所述的基于实测功率谱密度的受电弓底座振动信号构建方法，其特征在于，所述等效边界输入谱的生成方式包括：