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海洋平台结构动力特性参数识别的理论与实验研究

作　者: 李萍
导　师: 李华军；Sau-Lon James Hu
学　校: 中国海洋大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 海洋平台结构模态参数识别模型定阶信噪分离复指数法特征系统实现算法 “拍”现象奇异值分解法结构低秩逼近 Cadzow理论
分类号: P75
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

海洋平台结构复杂、造价昂贵,与陆地结构相比,其服役环境更加恶劣。它不仅承受风、海浪、海流、海冰和潮汐等环境荷载的长期作用,也受到地震灾害的威胁。并且,环境腐蚀、海生物附着、海底冲刷、地基土软化和疲劳损伤等因素都将影响海洋平台的安全服役,降低海洋平台的使用寿命。对于海洋平台这样的大型工程结构,其安全性和耐久性是极其重要的,为保障其安全服役,避免重大恶性事故的发生,必须对服役期内的海洋平台进行定期/不定期的检测和安全评估。海洋平台的动力特性参数与平台的服役状态息息相关,因此,掌握海洋平台在各个阶段的动力特性参数尤为重要。海洋平台的动力特性与其质量、刚度的分布相关,而质量、刚度的分布影响其结构的频率、阻尼及振型,因此,发展一套基于现场实测数据的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很必要。由于实测信号中不可避免的包含大量噪声,且模型阶数的未知性,基于实测响应信号识别的模态参数必然存在着较大的误差,此误差必然影响到海洋结构物的安全评估。因此,发展有效的信噪分离技术显得非常必要。本文应用复指数法和特征系统实现算法,主要对海洋导管架平台的动力特性参数进行了研究,改进了现有的模态参数识别技术,为进一步的结构健康检测及安全评估提供了理论基础和技术支持。主要内容和研究成果如下:1.傅里叶分析是目前信号处理中应用最普遍的一种方法。本文比较了复指数法与傅里叶变换的优缺点。采用了Hankel矩阵秩估计法和Cadzow理论消噪法来弥补复指数法模态识别过程中的缺点。提出了复指数法是比傅里叶分析更好的一种信号处理方法。并利用复指数法对存在“拍”现象的信号进行了参数识别,为存在“拍”现象信号的模态参数识别提供了理论基础和技术支持;2.海洋平台的实测数据非常复杂。通过对渤海某海洋平台现场实测的自由振动加速度信号进行模态识别研究,从理论上阐述了信号的参与模态与结构的初始变形和传感器布设方向之间的关系,并研究了信号不同时间段与参与模态数的关系,为海洋平台等大型结构实际动力测试的测试方案及传感器的优化布置提供了理论依据;3.深入分析了传统的特征系统实现算法,指出其处理实测数据时,将实测数据分解为结构真实信号和噪声信号,从而将噪声消除的特点。针对这一特点,本文提出分块Hankel矩阵的维数对信噪分离过程影响很大,阐明了当分块Hankel矩阵的分块行与分块列数接近时,真实和噪声信号可以最好的分离。分别利用数值算例和模型试验对该方法的有效性进行了检验;4.判断识别模态是否为结构的真实模态为结构模态识别领域的重要问题。本文提出了一种验证识别模态参数是否为结构真实模态的检验方法。此方法通过在实测信号中添加噪声,产生噪声–噪声信号,并将实测信号和噪声–噪声信号识别的结果进行比较,来判断识别模态的真实性。利用二维平板和海洋导管架模型试验的研究验证了该方法的可行性。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-15
第一章绪论  15-33
  1.1 研究背景及意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-23
    1.2.1 大型土木工程结构的模态参数识别  16-17
    1.2.2 模型定阶技术  17-18
    1.2.3 信噪分离技术  18-20
    1.2.4 海洋结构物动力特性的理论与试验研究  20-21
    1.2.5 亟待进一步解决的问题  21-23
  1.3 本文的研究内容  23-24
    1.3.1 课题来源  23
    1.3.2 研究内容  23-24
  参考文献  24-33
第二章模态分析理论基础与背景知识  33-49
  2.1 引言  33-34
  2.2 单自由度系统  34-36
    2.2.1 特征值问题  34-35
    2.2.2 比例阻尼  35-36
  2.3 多自由度系统  36-39
    2.3.1 特征值问题  36-37
    2.3.2 比例阻尼  37-39
  2.4 结构振动模型  39-45
    2.4.1 连续时间状态空间模型  39-40
    2.4.2 离散时间状态空间模型  40-42
    2.4.3 随机状态空间模型  42-44
    2.4.4 ARMA 模型  44-45
  2.5 振动试验常用激励方式  45-47
    2.5.1 冲击激励  45-46
    2.5.2 张拉法  46-47
    2.5.3 环境激励  47
  2.6 本章小结  47
  参考文献  47-49
第三章信号处理  49-73
  3.1 引言  49-50
  3.2 傅里叶分析  50-57
    3.2.1 傅里叶变换  50-51
    3.2.2 离散傅里叶变换  51-52
    3.2.3 频谱混叠  52-54
    3.2.4 谱泄漏现象  54-55
    3.2.5 窗函数  55-57
  3.3 复指数法  57-62
    3.3.1 脉冲响应函数  57
    3.3.2 离散的脉冲响应函数  57-58
    3.3.3 Prony法  58-59
    3.3.4 模型定阶  59-60
    3.3.5 信号消噪  60-61
    3.3.6 基于模型定阶和信号降噪的复指数法  61-62
  3.4 傅里叶变换与复指数法比较  62
  3.5 例题:质量–弹簧–阻尼系统  62-69
    3.5.1 有限元数值模型  62-63
    3.5.2 数值模型定阶  63-64
    3.5.3 数值模型信号降噪结果分析  64-69
  3.6 本章小结  69
  参考文献  69-73
第四章时域模态参数识别方法  73-99
  4.1 引言  73-74
  4.2 特征系统实现算法（ERA法）  74-83
    4.2.1 系统的状态方程描述  74-76
    4.2.2 特征系统实现算法(ERA法)  76-78
    4.2.3 区分真实模态和噪声模态的传统方法  78-81
    4.2.4 模型定阶和噪声消除  81-82
    4.2.5 ERA方法的计算步骤  82-83
  4.3 Ibrahim 时域法(ITD)  83-88
    4.3.1 ITD法理论推导  83-86
    4.3.2 随机减量法  86-88
  4.4 ARMA方法  88-89
    4.4.1 ARMA方法的定义和假定  88
    4.4.2 标量型ARMA法模态识别  88-89
  4.5 目前海洋工程领域常用的频率和阻尼比估算方法  89-92
    4.5.1 频率估算法  89-90
    4.5.2 阻尼比估算法  90-92
  4.6 质量-弹簧-阻尼系统实例  92-94
    4.6.1 数值模型定阶结果与分析  93-94
    4.6.2 数值模型信号识别结果与分析  94
  4.7 本章小结  94-96
  参考文献  96-99
第五章基于现场实测数据的海洋平台模态参数识别  99-141
  5.1 引言  99
  5.2 海洋平台激励方式的选择  99-100
  5.3 基于海上导管架平台有限元模型的模态参数识别  100-129
    5.3.1 有限元模型描述  100-103
    5.3.2 基于对平台一条腿激励下测得信号的参数识别  103-124
    5.3.3 基于对平台两条腿激励下测得信号的参数识别  124-129
  5.4 基于海上导管架平台噪声信号的模态参数识别  129-137
    5.4.1 模拟噪声信号的模态参数识别  129-132
    5.4.2 海洋平台现场实测数据的模态参数识别  132-137
  5.5 本章小结  137-138
  参考文献  138-141
第六章特征系统实现算法（ERA法）进行模态识别  141-163
  6.1 引言  141
  6.2 二维平板实例  141-150
    6.2.1 二维悬挂板模型概述  141-143
    6.2.2 模型阶数确定  143-145
    6.2.3 模态参数识别  145-150
  6.3 海洋导管架平台模型实例  150-159
    6.3.1 目标平台介绍  150-151
    6.3.2 海洋导管架平台物理模型概述  151-153
    6.3.3 基于导管架平台自由振动响应的模态识别  153-159
  6.4 本章小结  159-160
  参考文献  160-163
第七章当信号存在“拍”现象时的模态识别  163-177
  7.1 引言  163
  7.2 “拍”现象信号  163-164
  7.3 无阻尼下的“拍”现象信号  164-170
    7.3.1 存在截断误差“拍”现象信号的参数识别  166-167
    7.3.2 含5%噪声信号的模态识别  167-169
    7.3.3 含20%噪声信号的模态识别  169-170
  7.4 欠阻尼下的“拍”现象信号  170-174
    7.4.1 存在截断误差的“拍”现象信号  171-173
    7.4.2 含5%噪声信号的模态识别  173-174
    7.4.3 含20%噪声信号的模态识别  174
  7.5 本章小结  174-175
  参考文献  175-177
第八章结论与展望  177-181
  8.1 本文总结  177-178
  8.2 本文的主要创新点  178-179
  8.3 未来研究课题的展望  179-181
表一览  181-185
图一览  185-190
发表的学术论文  190-191
个人简历  191-192
致谢  192

海洋平台结构动力特性参数识别的理论与实验研究

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