车辆铝合金结构载荷分析与处理
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究意义 1
1.3 国内外研究状况及发展趋势 2
1.4 主要研究内容 3
2 对实验所得载荷信号处理 3
2.1 MATLAB软件简介 3
2.2 载荷信号的导入 4
2.3 载荷信号的采样 4
2.4 基于实验载荷信号设计椭圆低通滤波器 5
3 对实验所得载荷信号的频谱分析 10
3.1 对载荷信号时域分析与频域分析 10
3.2 载荷信号的功率谱分析 15
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
1 引言
1．1 课题研究背景
随着信息技术相关学科的发展，使用数字信号实现处理信号分析与处理的已经成为一种重要的工具。从普通的消费类电子信号设备到精密的科学仪器，越来越多的数字信号处理方法和专用硬件被采用[1]。数字信号处理技术涉及信号和其所承载信息的表达、变换和处理方法。信号通过数字或符号以序列的方式表达出来。数字信号处理的目的是评估信号的特征参数，或者是把信号转变为另一种希望的形式[1]。
数字信号处理的理论日趋成熟，以基础理论为依托的数字信号处理的研究正在向广度和深度方向发展。研究成果从线性、因果系统到非线性、非因果系统，从一维的处理到多维的处理，从最小相位的处理到非最小相位的处理，从单一抽样率到多速率处理。处理信号对象从高斯信号扩展到非高斯信号，从平稳随机信号到非平稳随机信号[4]。信号处理与分析的深入研究促使研究分支的细化，形成了许多专业课程和研究方向。
现如今典型 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的信号处理系统包括：模拟信号抽样与量化模块、数字信号处理与分析模块以及模拟信号重建模块。数字信号处理和分析模块的实现平台可以是PC、工控机或数字信号处理器等硬件系统。数字信号处理器可以经过编程完成信号处理的各种操作，如滤波和功率谱分析等等。
数字系统对数字信号的处理是通过数据运算完成的，不是像模拟系统那样依靠元器件的物理特性来完成。相对于模拟信号的处理与分析而言，数字信号处理有较大的优势：精度高、可靠性强、系统通用性好、可多维处理、可时分处理、易用软件模拟、自诊断自保护性能好、容易集成化体积小重量轻耗电省等[5]。
数字信号分析与处理技术随着科学技术的不断发展，不断的应用在各种不同的领域，相应的其应用范围也在不断的扩展。
1．2 课题研究意义
随着汽车工业的高速迅猛的发展，汽车的更新换代的速率正大幅度的上升。汽车研制和相关产品的研究开发需要紧跟发展的速度。车辆制造的大部分材料还是以铝合
金为主，这使得铝合金在汽车制造产业里至关重要。汽车设计部分的疲劳寿命的预测极其重要，车辆结构载荷分析的合理性与准确性直接影响疲劳寿命结果。本文根据数据分析软件，进行数据分析处理，载荷数据处理之后可以准确而和合理的应用于车辆铝合金的疲劳寿命的预测。本课题的研究一方面有利于提高产品的设计质量，缩短设计周期，提高产品的竞争力，为车辆模具的生产节约了成本。另一方面，通过理论分析与计算，从而能合理与准确的预测车辆的疲劳寿命。与此同时，对车辆结构载荷信号的处理结果还可以直接应用在疲劳寿命的预测，作为预测所需加载。
1．3 国内外研究状况及发展趋势
车辆铝合金结构载荷的分析方法越来越成熟，处理的手段也更趋多样化。铝合金结构载荷分析与处理的快速发展对于车辆铝合金的疲劳寿命的预测起到了极大的推进作用。
在载荷的分析与处理中，有时域分析方法和变换域分析方法，时域分析方法常要建立描述系统的数学模型，而变换域的分析方法则是利用数学变换将系统分析与处理变换到除时域以外的其它域里，以简便信号分析与处理过程。离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）是常用的变换方法，它在数字信号处中至关重要。从离散傅里叶变换（DFT）中发现了频率离散化，可以直接用来分析信号的频谱、计算频率响应，以及实现系统的卷积运算等，因此DFT在信号的谱分析里起到了很大的作用[3]。DFT实际上是在对需进行处理的信号进行离散采样，使得可以在频域内采用数字运算来对数字信号进行处理，增强了数字信号处理的灵活性。
傅里叶变换经历了一百多年的发展，其处理信号的优势不断的被发掘出来，在对复杂信号进行频域分析时，尤其可以凸显出其处理的优势。在进行信号傅里叶变换处理信号时，需要使用相应的数字方法来进行功率谱分析。DFT的计算量太大，这使得DFT在FFT算法出现之前是很难实现的，即便是采用计算机也很难对问题实时处理，至此DFT并没有得到真正的应用[3]。离散傅里叶变换真正的得到实际上的应用是1965年代时库利（J.W.Cooly）和图基（J.W.Tukey）发现了DFT的一种快速便捷的处理方法[3]。DFT在学者的不断改进之后，出现了一种比较通用的快速傅里叶变换，简称为FFT。快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）实际上是一种减少DFT运算量的简便算法，并不是与离散傅里叶不同的另外一种变换。数字计算机的出现使得该算法逐渐成为可能，它使得DFT的运算量大大的简化，推动了近30年的信号处理技术的发展，成为数字信号处理应用领域强有力的工具，为DFT乃至数字信号处理技术的实际应用创造了良好的条件，使得DFT在实际使用中得以广泛的应用。多年来，人们不断的改进和完善，形成了一系列新型的FFT算法，如基-2FFT算法，分裂基FFT算法，基-4FFT算法等[6]。
数字信号处理（digital signal processing ,DSP）的实现方法可分为3类：(软件实现法；(硬件实现法；(软硬件结合实现法。现在比较常用的是把软件和硬件相结合的方法来进行信号处理，即是通过配置硬件和进行相应的编程，来对具体的信号处理一达到所要求的指标[1]。数字信号处理器是近几年发展起来的适用于高速运算的集成电路。该种方法的处理速度相当的快。未来集成电路中DSP芯片是发展速度最快的电子产品之一，并且能够决定电子产品更新换代的速率。基于DSP开发出来的应用系统，因其高速、便于携带、可靠性高等特点，逐渐成为近来的研究热点。
可以看出，国内外对铝合金结构载荷分析与处理上有了很大的进展，结构载荷的分析的方法也越来越成熟，处理的手段也更趋多样化。
1．4 主要研究内容
现实里所存在的信号具备各自不同的特征，在进行相关信号处理与分析时所采用的手段也是多种多样。本文简单的阐述了MATLAB软件的基础知识，然后介绍了采样、滤波、时域与频域分析和功率谱分析的基本原理和理论知识。本文主要介绍基于Matlab来进行载荷信号的采样，并且设计相应的滤波器来进行数字滤波等信号的预处理；了解随机信号相关的处理步骤和方法，了解随机信号的分析手段；使用MATLAB来对滤波等处理之后的结构载荷信号进行时域分析、频域分析和功率谱的分析。
2 对实验所得载荷信号处理
2．1 MATLAB软件简介
MATLAB软件是一种可用于科学计算、可视化和交互式程序设计的高科技计算环境。
1 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究意义 1
1.3 国内外研究状况及发展趋势 2
1.4 主要研究内容 3
2 对实验所得载荷信号处理 3
2.1 MATLAB软件简介 3
2.2 载荷信号的导入 4
2.3 载荷信号的采样 4
2.4 基于实验载荷信号设计椭圆低通滤波器 5
3 对实验所得载荷信号的频谱分析 10
3.1 对载荷信号时域分析与频域分析 10
3.2 载荷信号的功率谱分析 15
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
1 引言
1．1 课题研究背景
随着信息技术相关学科的发展，使用数字信号实现处理信号分析与处理的已经成为一种重要的工具。从普通的消费类电子信号设备到精密的科学仪器，越来越多的数字信号处理方法和专用硬件被采用[1]。数字信号处理技术涉及信号和其所承载信息的表达、变换和处理方法。信号通过数字或符号以序列的方式表达出来。数字信号处理的目的是评估信号的特征参数，或者是把信号转变为另一种希望的形式[1]。
数字信号处理的理论日趋成熟，以基础理论为依托的数字信号处理的研究正在向广度和深度方向发展。研究成果从线性、因果系统到非线性、非因果系统，从一维的处理到多维的处理，从最小相位的处理到非最小相位的处理，从单一抽样率到多速率处理。处理信号对象从高斯信号扩展到非高斯信号，从平稳随机信号到非平稳随机信号[4]。信号处理与分析的深入研究促使研究分支的细化，形成了许多专业课程和研究方向。
现如今典型 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的信号处理系统包括：模拟信号抽样与量化模块、数字信号处理与分析模块以及模拟信号重建模块。数字信号处理和分析模块的实现平台可以是PC、工控机或数字信号处理器等硬件系统。数字信号处理器可以经过编程完成信号处理的各种操作，如滤波和功率谱分析等等。
数字系统对数字信号的处理是通过数据运算完成的，不是像模拟系统那样依靠元器件的物理特性来完成。相对于模拟信号的处理与分析而言，数字信号处理有较大的优势：精度高、可靠性强、系统通用性好、可多维处理、可时分处理、易用软件模拟、自诊断自保护性能好、容易集成化体积小重量轻耗电省等[5]。
数字信号分析与处理技术随着科学技术的不断发展，不断的应用在各种不同的领域，相应的其应用范围也在不断的扩展。
1．2 课题研究意义
随着汽车工业的高速迅猛的发展，汽车的更新换代的速率正大幅度的上升。汽车研制和相关产品的研究开发需要紧跟发展的速度。车辆制造的大部分材料还是以铝合
金为主，这使得铝合金在汽车制造产业里至关重要。汽车设计部分的疲劳寿命的预测极其重要，车辆结构载荷分析的合理性与准确性直接影响疲劳寿命结果。本文根据数据分析软件，进行数据分析处理，载荷数据处理之后可以准确而和合理的应用于车辆铝合金的疲劳寿命的预测。本课题的研究一方面有利于提高产品的设计质量，缩短设计周期，提高产品的竞争力，为车辆模具的生产节约了成本。另一方面，通过理论分析与计算，从而能合理与准确的预测车辆的疲劳寿命。与此同时，对车辆结构载荷信号的处理结果还可以直接应用在疲劳寿命的预测，作为预测所需加载。
1．3 国内外研究状况及发展趋势
车辆铝合金结构载荷的分析方法越来越成熟，处理的手段也更趋多样化。铝合金结构载荷分析与处理的快速发展对于车辆铝合金的疲劳寿命的预测起到了极大的推进作用。
在载荷的分析与处理中，有时域分析方法和变换域分析方法，时域分析方法常要建立描述系统的数学模型，而变换域的分析方法则是利用数学变换将系统分析与处理变换到除时域以外的其它域里，以简便信号分析与处理过程。离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）是常用的变换方法，它在数字信号处中至关重要。从离散傅里叶变换（DFT）中发现了频率离散化，可以直接用来分析信号的频谱、计算频率响应，以及实现系统的卷积运算等，因此DFT在信号的谱分析里起到了很大的作用[3]。DFT实际上是在对需进行处理的信号进行离散采样，使得可以在频域内采用数字运算来对数字信号进行处理，增强了数字信号处理的灵活性。
傅里叶变换经历了一百多年的发展，其处理信号的优势不断的被发掘出来，在对复杂信号进行频域分析时，尤其可以凸显出其处理的优势。在进行信号傅里叶变换处理信号时，需要使用相应的数字方法来进行功率谱分析。DFT的计算量太大，这使得DFT在FFT算法出现之前是很难实现的，即便是采用计算机也很难对问题实时处理，至此DFT并没有得到真正的应用[3]。离散傅里叶变换真正的得到实际上的应用是1965年代时库利（J.W.Cooly）和图基（J.W.Tukey）发现了DFT的一种快速便捷的处理方法[3]。DFT在学者的不断改进之后，出现了一种比较通用的快速傅里叶变换，简称为FFT。快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）实际上是一种减少DFT运算量的简便算法，并不是与离散傅里叶不同的另外一种变换。数字计算机的出现使得该算法逐渐成为可能，它使得DFT的运算量大大的简化，推动了近30年的信号处理技术的发展，成为数字信号处理应用领域强有力的工具，为DFT乃至数字信号处理技术的实际应用创造了良好的条件，使得DFT在实际使用中得以广泛的应用。多年来，人们不断的改进和完善，形成了一系列新型的FFT算法，如基-2FFT算法，分裂基FFT算法，基-4FFT算法等[6]。
数字信号处理（digital signal processing ,DSP）的实现方法可分为3类：(软件实现法；(硬件实现法；(软硬件结合实现法。现在比较常用的是把软件和硬件相结合的方法来进行信号处理，即是通过配置硬件和进行相应的编程，来对具体的信号处理一达到所要求的指标[1]。数字信号处理器是近几年发展起来的适用于高速运算的集成电路。该种方法的处理速度相当的快。未来集成电路中DSP芯片是发展速度最快的电子产品之一，并且能够决定电子产品更新换代的速率。基于DSP开发出来的应用系统，因其高速、便于携带、可靠性高等特点，逐渐成为近来的研究热点。
可以看出，国内外对铝合金结构载荷分析与处理上有了很大的进展，结构载荷的分析的方法也越来越成熟，处理的手段也更趋多样化。
1．4 主要研究内容
现实里所存在的信号具备各自不同的特征，在进行相关信号处理与分析时所采用的手段也是多种多样。本文简单的阐述了MATLAB软件的基础知识，然后介绍了采样、滤波、时域与频域分析和功率谱分析的基本原理和理论知识。本文主要介绍基于Matlab来进行载荷信号的采样，并且设计相应的滤波器来进行数字滤波等信号的预处理；了解随机信号相关的处理步骤和方法，了解随机信号的分析手段；使用MATLAB来对滤波等处理之后的结构载荷信号进行时域分析、频域分析和功率谱的分析。
2 对实验所得载荷信号处理
2．1 MATLAB软件简介
MATLAB软件是一种可用于科学计算、可视化和交互式程序设计的高科技计算环境。
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