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结构随机载荷识别的理论和实验研究

郭杏林  
【摘要】:结构动态载荷识别技术是现代工程设计的关键问题之一,有着广泛的应用前景。载荷识别与系统参数辨识、动力特性修改等都属于振动的反问题。振动系统动力特性及响应分析的经典理论已基本建立完善,并已经在工程实际中起到了重要的作用,但是载荷识别问题的研究还远不够成熟。振动反问题与传统的正问题分析方法不同,它主要采用试验与理论分析相结合的方法处理工程中的振动问题,即根据已知系统的动态特性和实测得到的系统动力响应反求振动系统所受动态激励。相比之下,实验手段显得更为重要。 本文将求解结构随机响应功率谱的快速精确算法——虚拟激励法作了逆向推广,用确定性方式求解作用于比例或非比例阻尼结构体系随机载荷功率谱的识别问题(重点研究平稳随机激励问题)。亦即,已知系统部分响应的自谱与互谱,反求多点激励间的自谱与互谱。所测量的响应可以是位移、速度、加速度、应变等多种类型的量,或它们之间的任意组合,因而响应测点和类型可以有灵活多样的选择.为了更有效地进行实际测量和识别,首先通过仿真计算研究了测点类型和数量的选择、结构阻尼以及测量精度等对激励谱识别效果的影响。结果表明,结合逆虚拟激励法简洁、高效的特点,在正式进行实验之前,先在计算机上用数值模拟的方法优化选择用于载荷识别的响应类型和测点组合,以消除或减少载荷识别中频率响应矩阵的病态,可以有效地提高荷载识别的精度。 传递矩阵的病态始终是制约结构荷载识别精度的一个至关重要的原因。历来的解决办法是花高价提高测量仪器的精度,或发展对于病态方程的计算技术。但依赖这样的手段提高识别精度正变得越来越困难。本文提出使用临时性附加阻尼减小系统频响函数矩阵的病态,用较小的代价而显著地改善了识别效果。 随机荷载识别的理论和实验研究都还十分稀少。本文在建立了理论方法(逆虚拟激励法)的基础上,更进一步设计了有效的试验系统,验证了该载荷识别方法的正确性和有效性。试验结果与计算机模拟的对照研究表明,用逆虚拟激励法识别作用在线性时不变系统的平稳随机载荷谱,方法可靠、简单高效,识别精度可以满足工程需要,抗噪声干扰能力强,有较好的实用价值和发展前景。 随时间变化的(非平稳的)确定性或随机性荷载的识别是更为困难的问题。为此,本文将精细时程积分法也作了逆向推广,提出了基于精细积分格式的非稳态动力载荷时间历程识别方法。精细逐步积分法是基于独创的指数矩阵精细求解策略,实施结构时程分析的一种新的分析方法。该算法给出了显式无条件稳定的积分格式,其积分时间步长不受结构自振特性的限制,只要在积分步长内外载是以确定性方式变化,就能得到相当于计算机精度的精确解答。计算机数值仿真研究表明,对于作用在结构上的调制或非调制简谐荷载、突加荷载等确定性载荷和非平稳随机荷载,该方法都给出较为理想的识别结果,有可能发展为研究时域荷载识别问题的一条有效途径。


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