[发明专利]动载荷的自适应时域识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种动态载荷的识别方法，特别是一种动载荷的自适应时域离线建模在线识别技术。

背景技术

在工程结构设计、试验及性能研究中，人们为分析结构的动态特性，进行结构动力响应计算、动态参数设计、故障分析及可靠性预测等，往往需要精确掌握作用在结构上的动态载荷。

确定结构动态载荷的方法有两种：直接测量法和间接识别法。前者直接测量载荷本身或测量与载荷有关的参数来得到动态载荷。但是对于很多实际工程结构、机械设备，由于其工作环境、工作状态的特殊性，导致难以直接测量或根本无法直接测量动态载荷。此时，只能采用动态载荷的间接识别法。间接识别法主要有频域识别和时域识别两种。

频域法是在频域内建立系统的输入输出关系，进而通过系统的输出识别动态输入的过程。一般可分为三个阶段：动态标定，即模型的建立；实际状态响应的测量，即响应信息的获取；载荷识别，即确定动载幅值与相位差过程。频域法的关键在于如何准确获得输入输出关系，由于系统的输入输出关系是线性算子，其线性算子逆运算易于处理，因而频域载荷识别技术已取得很大进展。

翁雪涛在载荷识别问题上发表了两篇文章(利用频响函数求外部激励，噪声与振动控制，1999，1：46-48)(利用频响函数求外部激励的实验验证，噪声与振动控制，1999，5：38-43)，阐述了利用频响函数直接求逆的理论依据；用实验研究了机械设备安装在两个不同基座的力识别精度对比，详细讲述了其实验方案、仪器系统及求解过程，实验证明大基座误差2-3dB，小基座误差5dB。

原春晖等人(加载对设备基座导纳测量的影响研究，振动与冲击，2005，24(4)：129-131)(设备安装对基座导纳测量的影响研究，中国造船，2005，46(3)：41-46)对设备传递基座的激励力测量方法做了深入研究，发表了两篇文章讨论了设备安装对基座导纳测试的影响，分别建立了机械设备单点接触模型和多点接触模型，并推导了设备安装对基座导纳测试影响的理论公式，指出基座导纳远小于安装机脚导纳时，可在设备的安装状态下测量基座导纳，并用船用设备和基座做了验证实验。此外，还讨论了激励力的两种间接测试方法(船舶机械振动源激励力的间接估算工程方法，中国舰船研究，2006，1(1)：25-32)，一种是基于基座特性的频响函数矩阵求逆法，适用于刚性安装的设备，讨论了不同的响应测点组合对估算结果精度的影响。文中最小误差3dB，最大误差15dB。另一种方法是基于隔振器特性的测试方法，适用于弹性安装的设备，间接测量的误差较小，可以满足工程需要。

2006年蔡元奇在频域内载荷识别，放弃了正分析中的模态截断概念，提出了模态选取概念。在此基础上提出了载荷识别中模态选取的准则，并给出了相应的公式。算例表明，采用该准则和公式可剔除造成动态载荷识别过程中数值病态的“不合适”模态，防止因模态选取不当而产生的伪解，明显提高动态载荷识别的成功率和精度。

时域内载荷识别的工作起步较晚，目前国内外正在展开研究。1995年，时战等(利用脉冲响应函数识别载荷的时序法.振动工程学报，1995，8(3)：235-242)发展了利用脉冲响应函数识别载荷的时序分析方法，采用杜哈曼积分求解比例阻尼离散结构系统的动载荷识别，使结构分析逆问题化为正分析处理。文中用奇异值分解代替了最小二乘法，即使系数矩阵亏损，仍可求得最短范数的最小二乘解。

张方(动态载荷时域识别的级数方法.振动工程学报，1996，9(1)：1～8)在实模态和复模态空间内推导了载荷识别的级数系数平衡法，并以幂级数展开理论获得动态载荷识别的计算公式，通过数值仿真计算表明，这种方法适用于各种正弦、三角等波形的时域载荷，尤其对在共振频率下的正弦激励力，利用其过渡响应可满意地进行识别。1998年，他们(动载荷识别的时间有限元模型理论及其应用.振动与冲击，1998，17(2)：1～4)利用广义正交多项式作为时间有限元的形函数，导出基于多节点时间有限元的载荷识别模型，从而将时域下的复杂逆卷积关系转变为广义正交域的线性算子逆运算，结论表明该方法适用于具有短时间样本的冲击类型动载荷识别。

2004年，林哲等人(精细时程积分在载荷识别中的应用.船舶力学，2004，8(4)：55-60)在载荷识别的逆问题研究中引入精细时程积分的理论，给出了基于模态分解形式的载荷识别公式，并构造出矩阵表达形式，能利用结构响应数据通过迭代求解瞬态随机外部激励幅值。数值算例结果表明，该方法能较好地识别外部激励，而且在已知激励位置时，识别结果更加可靠，精度令人满意。相对于频域内识别外部激励的传统解法，也提供了一种在计算量和精度上都令人满意的时域方法。