基于模型定阶和信号消噪的海洋平台结构模态参数识别研究

摘要

随着石油开采逐渐向深海发展,海洋平台的数量逐步增加,而损伤在海洋平台结构服役期间是无法避免的。为保障海洋平台结构的安全服役,避免重大恶性事故的发生,必须对海洋平台结构在服役期内进行定期/不定期的检测和安全评估。特别是对进入服役中后期的海洋平台或需超期服役的平台,实施有效的健康检测具有更加重要的意义。基于振动测试响应信息的结构健康检测技术能够对结构的服役及健康状况进行全面的检测,是一种全局检测方法,与常规的无损检测方法相比有其自身的优点。而其中模态参数识别是基础性和关键性的环节。因此发展一套适用于海洋平台等大型土木结构物的模态参数精确识别方法显得尤为重要。
　　 模型定阶以及实测信号的降噪技术是模态参数识别研究的重要问题。模态参数识别方法需要模型阶次的先验信息,模型阶次的判断结果直接影响真实模态的识别精度。合理的确定模型阶次可减少或避免虚假模态的产生,提高计算效率和识别精度。同时,海洋平台服役环境条件恶劣,实测响应信号中不可避免地包含大量噪声,依靠输出响应提取平台结构的模态参数必然存在较大的误差,该误差势必影响到海洋平台结构安全状况的评价结果。因此,对振动测试响应信号进行降噪处理就显得极为迫切。
　　 本文围绕基于海洋平台结构动力测试响应的模态参数精确识别技术,开展与之相关的系统模型定阶技术、实测信号的降噪技术,以及改进现有模态参数识别方法等一系列研究工作,为进一步的海洋平台结构健康检测及安全评估提供理论基础和技术支持。主要内容和研究成果如下:
　　 1.合理确定模型阶次是模态参数识别领域最重要的问题。本文总结了几种传统的模型定阶方法,指出其在应用中的缺陷。发展了一种新的模型定阶技术--Hankel矩阵秩估计法,从理论上阐述了脉冲响应函数、Hankel矩阵的秩、奇异值分解以及模型阶次之间的关系,弥补了类似方法缺少理论支持的缺憾。并通过数值算例和模型实验验证该技术的有效性;
　　 2.从理论上阐述了信号消噪机理。首次将线性数学领域的结构低秩逼近技术引入到模态参数识别领域。基于模型定阶结果,采用Cadzow理论发展了适合工程应用的信号消噪方法,并在矩阵维数的选择、计算效率和消噪效果评价等方面得到有意义的结论。利用数值算例和模型实验对该技术的有效性进行验证;
　　 3.为提高海洋平台等复杂大型结构的模态参数识别精度,提出了一套基于模型定阶和振动响应信号消噪的模态参数精确识别方法。该方法在模态参数识别之前就准确确定模型阶次,并对实测信号进行消噪处理,然后采用复指数法(Prony)进行模态参数识别。该方法改善了复指数法对噪声敏感的弱点,提高了识别精度,通过一个导管架海洋平台结构模型实验的研究验证了该方法用于实际海洋平台结构的可行性;
　　 4.传统的MIMO识别方法需要借助稳定图来区分真实模态和虚假模态。而稳定图方法需要人为地增大计算模型阶次,多次“试算”。尤其在信噪比低的情况下,很难区分大量虚假模态和真实模态。基于此,提出了一种MIMO的定阶消噪模态参数识别方法。该方法对各实测脉冲响应信号统一进行模型定阶和噪声消除分析,采用Prony法进行模态参数识别,将各消噪后信号的识别结果标示在信号-频率稳定图上,通过信号-频率稳定图识别出真实的模态参数。分别采用传统的MIMO方法和定阶消噪模态参数识别方法对一维悬臂梁模型和二维悬挂板模型的实验数据进行处理分析,结果表明,定阶消噪模态参数识别方法减少了人为因素的影响,提高了模态参数的识别效率和精度,尤其是提高了阻尼比的识别精度。本文将传统Prorly法从SISO扩展到了MIMO,为更精确地识别模态参数提供了一种新思路,有助于进一步促进定阶消噪方法在实际工程中的广泛应用。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 模态参数识别

1.2.2 模型定阶技术

1.2.3 信号消噪技术

1.2.4 亟待进一步解决的问题

1.3 本文的研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 研究内容

参考文献

第二章 模态分析的理论基础

2.1 引言

2.2 单自由度系统的频响函数分析

2.2.1 粘性阻尼系统

2.2.2 结构阻尼系统

2.3 多自由度系统的实模态分析

2.3.1 无阻尼系统

2.3.2 比例阻尼系统

2.4 多自由度系统的复模态分析

2.4.1 一般粘性阻尼系统

2.4.2 结构阻尼系统

2.5 各种不同激励下频响函数的表达式

2.5.1 简谐激励

2.5.2 周期激励

2.5.3 瞬态激励

2.5.4 随机激励

2.6 本章小结

参考文献

第三章 时域模态参数识别方法

3.1 引言

3.2 Ibrahim时域法(ITD)

3.2.1 ITD法理论推导

3.2.2 随机减量法

3.3 特征系统实现算法(ERA)

3.4 ARMA方法

3.4.1 ARMA方法的定义和假定

3.4.2 标量型ARMA方法的模态识别过程

3.5 复指数法

3.5.1 Prony法

3.5.2 最小二乘复指数法(LSCE)

3.5.3 多参考点复指数法(PRCE)

3.6 本章小结

参考文献

第四章 模型定阶方法研究

4.1 引言

4.2 常用的模型定阶方法

4.2.1 曲线拟合法

4.2.2 误差图法

4.2.3 稳定图法

4.2.4 其它模型定阶方法

4.3 理论分析

4.3.1 脉冲响应函数(IRF)

4.3.2 离散的脉冲响应函数

4.3.3 脉冲响应函数和Hankel矩阵

4.3.4 秩和奇异值分解

4.4 Hankel矩阵秩估计法

4.5 质量-弹簧-阻尼系统数值算例

4.5.1 有限元数值模型

4.5.2 数值模型定阶结果与分析

4.6 悬臂梁物理模型算例

4.6.1 悬臂梁物理模型

4.6.2 悬臂梁物理模型定阶结果与分析

4.7 本章小结

参考文献

第五章 振动响应信号消噪方法研究

5.1 引言

5.2 低秩逼近

5.2.1 非结构低秩逼近

5.2.2 结构低秩逼近

5.2.3 含噪声的脉冲响应函数和Hankel矩阵

5.2.4 Cadzow理论

5.3 信号消噪与模型定阶

5.4 质量-弹簧-阻尼系统数值算例

5.4.1 有限元数值模型

5.4.2 含5%噪声的脉冲响应信号

5.4.3 含20%噪声的脉冲响应信号

5.5 悬臂梁物理模型算例

5.5.1 悬臂梁物理模型

5.5.2 悬臂梁物理模型实测信号消噪分析

5.6 本章小结

参考文献

第六章 模态参数精确识别方法及其在海洋平台结构的应用

6.1 引言

6.2 基于定阶消噪的模态参数精确识别方法

6.3 海洋平台模型实验

6.3.1 目标平台介绍

6.3.2 海洋平台物理模型

6.4 海洋平台模态参数精确识别结果与分析

6.4.1 实测脉冲响应信号

6.4.2 模型定阶

6.4.3 噪声消除

6.4.4 模态参数识别

6.4.5 不同时段的信号的识别结果比较

6.5 本章小结

参考文献

第七章 多输入多输出的定阶消噪模态参数识别方法研究

7.1 引言

7.2 MIMO的定阶消噪模态参数识别方法

7.3 一维悬臂梁模型实验

7.3.1 悬臂梁物理模型

7.3.2 传统的MIMO模态参数识别结果与分析

7.3.3 定阶消噪模态参数识别方法的识别结果与分析

7.4 二维悬挂板模型实验

7.4.1 悬挂板物理模型

7.4.2 传统的MIMO模态参数识别结果与分析

7.4.3 定阶消噪模态参数识别方法的识别结果与分析

7.5 本章小结

参考文献

第八章 结论与展望

8.1 本文总结

8.2 本文的主要创新点

8.3 未来研究课题的展望

发表的学术论文

个人简历

致谢