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非平稳环境激励下结构模态参数识别方法综述

内容来源:机械设计与制造工程杂志      浏览次数:63      更新时间:2019-11-07

                                                高天驰1,赵海峰1,石海荣2
                               (1.东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江 大庆〓163318)
                               (2.山东科瑞石油天然气集团有限公司,山东 东营〓 257067)
摘要:在回顾时、频域环境激励下模态参数识别方法适用条件与优缺点的基础上,指出平稳白噪声常作为时、频域模态参数识别的假设条件。重点针对实际工程中某些环境激励信号表现出明显的非平稳特性,对时频分析方法以及放宽时、频域对平稳白噪声作为假设条件的模态识别方法进行了总结与讨论。
关键词:环境激励;模态识别;非平稳;工况模态分析
中图分类号:O321〓文献标识码:A〓文章编号:2095-509X(2019)09-0001-07

  结构模态参数可广泛应用于振动系统分析、振动故障诊断与预测、结构动力优化设计、结构损伤检测等方面。在外界荷载或其他因素的作用下,如何准确地获取结构模态参数(模态参数识别方法)一直是近些年研究的热点。当前,获取结构模态参数的方法大致可分为两类:试验结构模态参数识别方法和环境激励下结构模态参数识别方法。试验结构模态参数识别需要激励信号和响应信号均已知、可测,通过响应信号与激励信号的频响函数估计出结构模态参数,虽然该方法的模态参数识别结果准确且有明确的物理意义,但对于大型工程结构难以施加可靠有效的激励力是该方法的局限之处。针对上述问题,以环境激励作为输入,系统响应作为输出,通过输入输出响应互谱与输入自谱之比的模态参数识别随之发展起来并且得到广泛研究,其以日常的环境激励如风、浪、流或车辆荷载等作为系统的输入,仅以系统的响应数据作为输出,相应的模态分析称为工况模态分析(OMA)。环境激励下结构模态参数识别方法存在着动态响应小、噪声多、随机性强、数据量大等问题,所以需要先进的数学算法来辨识系统的特性。由于外界荷载的真实性以及结构系统复杂性和非线性等性质的存在,目前对环境激励下结构模态参数识别方法的研究大多集中在对非平稳环境下的模态参数识别、时变系统的模态参数识别以及非线性系统的模态参数识别等方面。本文首先对环境激励下结构模态参数识别方法进行分类并讨论这些方法的优缺点和适用性,然后对某些激励信号不能处理成平稳白噪声的情况,总结了近些年国内外对非平稳环境下的模态参数识别的研究现状,并给出了未来发展方向。
1〓环境激励下模态参数识别方法的分类
    基于环境激励的模态识别方法经过几十年的研究和发展,大致形成了时域、频域、时频域等的模态参数识别方法。事实上,这些方法在数学原理上是相似的,只是在数据约简、方程求解和矩阵运算的顺序等方面不尽相同。具体的分类如图1所示。以平稳响应信号作为输出的模态参数识别方法可分为频域和时域两种方法。频域识别方法是对频域数据进行处理的辨识方法,由于其物理概念清晰,数据量小,被广泛地应用于模态分析中。该方法大多利用经典谱估计,属于非参数化的方法。对于已知输入信号的试验状态进行频域经典模态分析,可利用输入、输出信号求得频响函数,根据频响函数在系统固有频率附近会出现峰值的规律,进行模态识别。对于环境激励的模态分析,由于无法直接求得频响函数,需要利用其他信号特征来代替。经过多年研究与总结发现,可使用功率谱密度函数或多点平均归一化功率谱密度函数近似代替进行识别[2-4]。具有代表性的方法有峰值拾取法、频域分解法、增强频域分解法、最小二乘复频域法以及多参考点最小二乘复频域法。
   时域辨识方法对时域数据进行处理,完成参数辨识,在避免傅里叶变换(FFT)所带来的频率分

    .......


基金项目:国家自然科学基金资助项目(11472076);中国石油天然气集团公司“十三五”攻关课题(2016A-1007)
作者简介:高天驰(1991—),男,硕士研究生,主要研究方向为结构模态参数辨识与有限元模型修正,tianchigao0906@163.com.
通讯作者:赵海峰,zhaohaifengxy@163.com.

文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289)

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