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《模態(tài)參數(shù)辨識方法——綜述》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、模態(tài)參數(shù)辨識方法綜述摘要:本文對模態(tài)分析和模態(tài)參數(shù)識別進行了綜述,對當(dāng)前識別方法的原理、識別精度及適用條件進行闡述和比較,提出環(huán)境激勵下模態(tài)參數(shù)識別方法需解決的關(guān)鍵問題及模態(tài)分析在缺陷檢測和結(jié)構(gòu)優(yōu)化中作用。關(guān)鍵詞:模態(tài)分析模態(tài)參數(shù)識別模態(tài)分析與缺陷檢測結(jié)構(gòu)工作模態(tài)0引言模態(tài)分析是將線性時不變系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo),使方程組解耦,成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程,坐標(biāo)變換的變換矩陣為振型矩陣,其每列即為各階振型。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性,每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這
2、些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi),各階主要模態(tài)的特性,就可能預(yù)知結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi),在外部或內(nèi)部各種振源作用下實際振動響應(yīng),而且一旦通過模態(tài)分析知道模態(tài)參數(shù)并給予驗證,就可以把這些參數(shù)用于(重)設(shè)計過程,優(yōu)化系統(tǒng)動態(tài)特性,或者研究把該結(jié)構(gòu)連接到其他結(jié)構(gòu)上時所產(chǎn)生的影響。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動分析、振動故障診斷和預(yù)報、結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。解
3、析模態(tài)分析可用有限元計算實現(xiàn),而實驗?zāi)B(tài)分析則是對結(jié)構(gòu)進行可測可控的動力學(xué)激勵,由激振力和響應(yīng)的信號求得系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣,再在頻域或轉(zhuǎn)到時域采用多種識別方法求出模態(tài)參數(shù),得到結(jié)構(gòu)固有的動態(tài)特性,這些特性包括固有頻率、振型和阻尼比等。有限元法是當(dāng)前分析機械結(jié)構(gòu)模態(tài)的主要方法,很多學(xué)者研究了單裂縫和多裂縫缺陷對不同結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響,但這些研究僅局限于出現(xiàn)缺陷結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài),考慮到缺陷在機械結(jié)構(gòu)使用過程中的擴展,提出了模態(tài)分析與缺陷擴展理論相結(jié)合的方法分析缺陷的發(fā)展趨勢,便于機械結(jié)構(gòu)剩余壽命的評估,使已達到設(shè)計壽命的結(jié)構(gòu)在
4、失效前仍然發(fā)揮其功能,節(jié)約了經(jīng)濟成本。一般模態(tài)識別方法是基于實驗室條件下的頻率響應(yīng)函數(shù)進行的參數(shù)識別方法,它要求同時測得結(jié)構(gòu)上的激勵和響應(yīng)信號。但是,在許多工程實際應(yīng)用中,工作條件和實驗室條件相差很大,對一些大型結(jié)構(gòu)無法施加激勵或施加激勵費用很昂貴,因此要求識別結(jié)構(gòu)在工作條件下的模態(tài)參數(shù)。工作模態(tài)參數(shù)識別方法與傳統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識別方法相比有如下特點:一、僅根據(jù)結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下的響應(yīng)數(shù)據(jù)來識別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù),無需對結(jié)構(gòu)施加激勵,激勵是未知的,如無需對大橋、海洋結(jié)構(gòu)、高層建筑等大型結(jié)構(gòu)進行激勵,僅需直接測取結(jié)構(gòu)在風(fēng)力、交通等環(huán)境
5、激勵下的響應(yīng)數(shù)據(jù)就可以識別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。該方法識別的模態(tài)參數(shù)符合實際工況及邊界條件,能真實地反映結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的動力學(xué)特性,如高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)的工況和靜態(tài)時結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)有很大差別。二、該種識別方法不施加人工激勵完全靠環(huán)境激勵,節(jié)省了人工和設(shè)備費用,也避免了對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的損傷問題。三、利用環(huán)境激勵的實時響應(yīng)數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)參數(shù),能夠識別由于環(huán)境激勵引起的模態(tài)參數(shù)變化。盡管傳統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)方法已在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,但近年來,環(huán)境激勵下模態(tài)參數(shù)識別方法得到了航天、航空、汽車及建筑領(lǐng)域的研究人員的極大關(guān)注,如美
6、國國家實驗室已將該方法用于高速汽輪機葉片在工作狀態(tài)下固有頻率和阻尼比的識別??傊?,基于環(huán)境激勵下響應(yīng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別方法,正在受到工程界的重視。1環(huán)境激勵下模態(tài)參數(shù)識別對于環(huán)境激勵下結(jié)構(gòu)工作模態(tài)的研究經(jīng)過幾十年的研究,特別是近幾年來,人們已經(jīng)提出了多種環(huán)境激勵下模態(tài)參數(shù)識別的方法。大致分類如下:按識別信號域分為:時域識別方法、頻域識別方法、和聯(lián)合時頻域識別方法;按激勵信號分為:平穩(wěn)隨機激勵和非平穩(wěn)隨機激勵有的方法假設(shè)環(huán)境激勵為白噪聲激勵;按信號的測取方法分為:單輸入多輸出和多輸入多輸出;按識別方法特性分為:時間序列法、
7、隨機減量法、隨機子空間法、模態(tài)函數(shù)分解法、峰值拾取法、頻域分解法及聯(lián)合時頻方法。環(huán)境振動模態(tài)分析從分析方式上來講可分為頻域方法和時域方法。頻域識別方法是基于結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)相互獨立,并構(gòu)成一個正交函數(shù)系的屬性,將結(jié)構(gòu)振動分解為結(jié)構(gòu)模態(tài)分量的疊加。頻域識別方法的基本手段是傅立葉變換。峰值拾取法是根據(jù)頻響函數(shù)在固有頻率附近出現(xiàn)峰值的原理,用隨機響應(yīng)信號的功率譜代替頻響函數(shù)。假定響應(yīng)的功率譜峰值僅由一個模態(tài)確定,這樣系統(tǒng)的固有頻率由功率譜的峰值得到,用工作撓度曲線替代系統(tǒng)模態(tài)振型,但該方法不能識別密集模態(tài)。頻域分解法是峰值拾取法
8、的延伸,克服了峰值拾取法的缺點,其主要思想是:對響應(yīng)的功率譜進行奇異值分解,將功率譜分解為對應(yīng)多模態(tài)的一組單自由度系統(tǒng)功率譜。頻域分解法識別精度高,有一定的抗干擾能力。此外有人也提出將頻響函數(shù)用各響應(yīng)點的參考點間的互功率譜密度函數(shù)代替,根據(jù)互功率譜密度函數(shù)同模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系,單獨利用響應(yīng)數(shù)據(jù)求出模態(tài)參數(shù)[17]。時