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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

包兴先  
【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Prony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。


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