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环境激励下船舶结构模态分析实验与理论研究

姜大正  
【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。


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