环境激励下船舶结构模态分析实验与理论研究

摘要

目前船舶结构振动已经成为船舶结构设计、试航以及交船的验收指标之一，它对于船上结构安全和人员、设备等正常工作有很大影响，因此研究船舶结构振动模态分析以及振动控制方法具有重要意义。但传统的实验模态分析由于需要完整的激励信息而存在诸多局限性，难以达到满意的效果。
　　 运行模态分析是一种仅基于环境激励下结构的响应来提取模态参数的方法，因其无需激励设备，安全性好，不影响设备正常工作等特点成为国内外研究的热点。目前在土木、汽车及航天的振动分析领域应用较为广泛，但在船舶结构动态分析领域所见研究不多。本文重点研究了运行模态分析方法在船舶结构振动分析中的应用可行性，根据舰船航行中所受激励特点，研究提出了滤波.自互功率谱法来识别航行中船舶结构的模态参数，并初步验证了该方法的有效性和实用性。这对于推动运行模态分析方法在船舶结构动态分析中的应用有重要意义。论文主要工作包括：
　　 首先，研究、对比国内外文献和最新研究进展，综述了运行模态分析的多种计算方法。讨论了运行模态分析在船舶结构振动分析中应用的可行性，并根据舰船航行所受环境激励的特点，将其所受激励假设为白噪声和已知频率的简谐激励同时存在的情况，突破了传统运行模态分析方法白噪声激励的假设。
　　 其次，学习信号处理、动态测试和模态分析等相关理论。根据船舶航行中所受激励中含有明显简谐激励的特点，提出使用带阻数字滤波技术，滤除已知的一个或多个确定频率的激励，减少其对结构真实模态辨识的影响。将滤波方法与自互功率谱方法相结合，形成适用于船舶结构在线模态分析的滤波-自互功率谱方法。
　　 最后，对所研究的方法进行实验验证。首先，对简支梁同时施加白噪声和简谐激励，以此来模拟船舶航行所受激励特点，并提取其模态参数，从而验证所研究方法的有效性。其次，对一艘航行中货船的桅杆实测振动数据进行了处理和分析，使用滤波-自互功率谱法进行模态参数辨识，通过与有限元分析结果的对比，表明所研究的方法对运行船舶结构模态参数的识别是有效的，可行的。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究意义与背景

1.2模态分析技术

1.2.1传统模态分析技术

1.2.2运行模态分析技术

1.3本文主要研究内容

2运行模态识别方法综述及其在船舶结构振动分析中的应用

2.1时域方法

2.1.1随机减量法

2.1.2 ITD法

2.1.3最小二乘复指数法

2.1.4时间序列法

2.1.5 NExT法

2.1.6特征系统实现算法

2.1.7随机子空间法

2.2频域方法

2.2.1峰值拾取法

2.2.2频域分解法

2.3联合时频域方法

2.4关键问题及研究趋势

2.4.1关键问题

2.4.2国内外研究趋势

2.5环境激励下船舶结构模态分析的应用可行性

2.5.1航行中船舶所受激励及假设

2.5.2应用可行性分析

2.6本章小结

3船舶结构运行模态分析理论及方法

3.1动态测试后处理

3.1.1模拟信号的采样、量化和截断

3.1.2快速傅里叶变换

3.1.3频率混叠和采样定理

3.1.4泄露和窗函数

3.1.5小结

3.2自互功率谱法

3.2.1频响函数理论

3.2.2功率谱估计理论

3.2.3识别固有频率

3.2.4计算阻尼比

3.2.5计算振型

3.3滤波-自互功率谱法

3.3.1数字滤波的频域方法

3.3.2辨识过程

3.3.3滤波-自互功率谱法优缺点及工程应用

3.4本章小结

4实验验证

4.1简支梁实验

4.1.1实验装置及布置

4.1.2信号预处理及滤波

4.1.3识别固有频率与阻尼比

4.1.4计算振型

4.1.5结果分析

4.2实船桅杆振动分析

4.2.1实验条件

4.2.2信号分析及滤波

4.2.3模态参数辨识

4.2.4结果对比和分析

4.3本章小结

5总结与展望

5.1论文工作总结

5.2论文工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢