基于输出的海洋平台结构模态参数识别技术研究

论文摘要

结构振动响应包含结构本身的固有特性,通过对响应信号的模态参数识别可以真实反应结构特性,为诊断结构健康状况提供依据。模态参数识别技术在航空航天、土木工程、机械工程等领域已取得较快发展,但在海洋工程领域,由于海洋平台服役于恶劣的海洋环境中,噪声干扰的存在和环境激励不充分,导致参数辨识方法难以奏效。信号消噪与模型定阶已经成为影响结构模态参数识别效果的关键因素。论文系统地总结了国内外近年来有关基于输出响应的线性结构模态参数识别方法,对其应用背景、研究意义、国内外研究现状、已有的研究方法成果及存在的问题做了较为全面的论述。指出对于现阶段基于输出响应的模态参数识别技术在海洋工程领域的应用,面临的主要问题是实测信号的消噪处理和虚假模态的剔除,而信号消噪和剔除虚假模态的关键又是合理的模型定阶。介绍了模态分析的相关理论和几种较成熟的时域模态参数识别方法:Ibrahim时域法、特征系统实现算法、最小二乘复指数法。简述几种常用的模型定阶方法:曲线拟合法、误差图法、稳定图法、Hankel矩阵秩估计法,比较各方法的优缺点,提出了一种基于Hankel矩阵奇异值变化率的模型定阶方法。重点介绍了一种行之有效的信号消噪方法——基于Cadzow迭代平均理论的消噪方法,并结合所提出的模型定阶方法和最小二乘复指数法应用于5自由度弹簧-质量-阻尼系统的数值算例,验证集模型定阶与信号消噪于一体的模态参数识别算法的正确性。在弱背景噪声影响的情况下,基于Hankel矩阵奇异值变化率的模型定阶方法和基于Cadzow理论的消噪技术便可达到良好的消噪效果,识别较准确的模态参数;当信号受较强噪声干扰时,定阶和消噪技术有时不能完全剔除虚假的模态信息,针对该问题提出适用于比例阻尼系统的虚假模态剔除方法,通过某三维框架结构和海洋平台结构数值算例,验证该方法可以有效剔除定阶消噪后遗留的虚假模态。最后,模拟对平台施加不同方向（在平台导管某一腿上沿对角线方向和垂直对角线方向）的脉冲激励,对获得的加速度响应信号进行参数识别,比较识别的模态频率、阻尼比,结果表明沿对角线方向激励识别的第三阶模态参数误差较大,而沿垂直对角线方向激励的该阶模态识别结果有较大改善;在相同程度噪声影响下,比较分析不同测点的参数识别效果,为实验中传感器的优化布置提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 频域模态参数识别
• 1.2.2 时域模态参数识别
• 1.2.3 模型阶次的确定
• 1.2.4 信号消噪技术
• 1.3 本文主要内容
• 2 模态分析及参数识别理论
• 2.1 模态分析的理论基础
• 2.1.1 单自由度系统频响函数分析
• 2.1.2 瞬态激励下频响函数的表达式
• 2.1.3 多自由度系统模态分析的基本概念
• 2.1.4 多自由度系统实模态分析
• 2.1.5 多自由度系统复模态分析
• 2.2 系统的可辨识性问题
• 2.2.1 系统的状态方程描述
• 2.2.2 系统的可控性与可观性
• 2.2.3 振动系统参数的可辨识性
• 2.3 Ibrahim 时域法
• 2.3.1 ITD 法基本原理
• 2.3.2 需要注意的相关问题
• 2.4 特征系统实现算法（ERA）
• 2.5 最小二乘复指数法
• 3 模型定阶和信号消噪理论
• 3.1 模型定阶方法
• 3.1.1 曲线拟合法
• 3.1.2 误差图法
• 3.1.3 稳定图法
• 3.1.4 Hankel 矩阵秩估计法
• 3.1.5 基于奇异值变化率的模型定阶方法
• 3.2 信号消噪理论
• 3.2.1 结构低秩逼近
• 3.2.2 基于Cadzow 理论的信号消噪技术
• 3.3 虚假模态的剔除
• 3.4 数值模拟和模型实验
• 3.4.1 五自由度系统
• 3.4.2 悬臂梁实验数据验证
• 3.4.3 三维框架结构数值算例
• 3.5 小结
• 4 海洋平台结构模态参数识别
• 4.1 海洋平台结构模型信息
• 4.2 模态参数识别及结果分析比较
• 5 结论与展望
• 5.1 本文工作总结及创新点
• 5.2 未来研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表的学术论文及参与课题
• 个人简历