基于隨機(jī)子空間法的海洋平臺模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)研究.pdf

1、海洋平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，且服役環(huán)境惡劣。為了避免重大惡性事故的發(fā)生，需要對海洋平臺結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)進(jìn)行定期/不定期的檢測和安全評估。特別是服役中后期的海洋平臺及超期服役的平臺，實(shí)施有效的健康檢測具有更加重要的意義。基于海洋平臺振動測試響應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康檢測技術(shù)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行全面的檢測，是一種全局檢測方法，其中模態(tài)參數(shù)的識別是該技術(shù)的基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。因此，準(zhǔn)確掌握海洋平臺模態(tài)參數(shù)顯得尤為重要。
　　早期的模態(tài)參數(shù)識別方法

2、主要是基于頻域響應(yīng)的方法，但是由于頻域方法存在頻譜估計的局限性、頻譜泄漏等問題，所以目前模態(tài)參數(shù)識別方法的發(fā)展趨勢是使用基于結(jié)構(gòu)時域振動響應(yīng)的輸入-輸出或者輸出的模態(tài)參數(shù)識別方法。其中復(fù)指數(shù)法(PRONY)、特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法(ERA)、隨機(jī)子空間法(SSI)是在其他領(lǐng)域中模態(tài)識別效果較好的幾種方法。
　　本文通過對現(xiàn)有典型時域方法(復(fù)指數(shù)法(PRONY)、特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法(ERA)、隨機(jī)子空間法(SSI))的性能比較，旨在發(fā)展一套有效

3、的海洋平臺模態(tài)參數(shù)精確識別技術(shù)。研究了有效獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)的方法，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/data)和協(xié)方差驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/cov)差異性以及數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/data)Hankel矩陣與噪聲關(guān)系的深入研究完善了現(xiàn)有的模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)健康檢測和安全評價提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。主要研究工作如下:
　　1.在不同激勵方式（沖擊激勵、張拉激勵以及白噪聲激勵）下分別對比復(fù)指數(shù)法(PRON

4、Y)、特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法(ERA)和隨機(jī)子空間法（SSI/data和SSI/cov），證明了數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/data)能夠適用于不同激勵下的模態(tài)參數(shù)識別，而且模態(tài)識別能力最強(qiáng)。
　　2.傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/data)和協(xié)方差驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/cov)無論在理論上還是實(shí)際應(yīng)用中都是一致的。通過蒙特卡洛試驗(yàn)、函數(shù)試驗(yàn)分別證明了協(xié)方差驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/cov)識別模態(tài)數(shù)目少和模態(tài)參數(shù)估計精

5、度不高等缺點(diǎn)，數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/data)有更強(qiáng)的模態(tài)識別能力:消噪能力強(qiáng)、準(zhǔn)確識別臨近模態(tài)、模態(tài)估計結(jié)果精度高等。繼而從理論上分析了兩種方法存在差異的原因:數(shù)據(jù)有限性和QR分解算法，并通過數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　3.深入研究了數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/data)，推導(dǎo)了Hankel矩陣的構(gòu)建方式與數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法的消噪能力的關(guān)系式。提出了一套數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/data) Hankel矩陣維數(shù)的評

6、估方法，即歸一化奇異值曲線、穩(wěn)定圖和有限元模態(tài)結(jié)果相結(jié)合的方式。分別利用數(shù)值算例和模型試驗(yàn)檢驗(yàn)了該方法的有效性，研究表明:數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/data)的Hankel矩陣應(yīng)設(shè)置成非方陣。為今后數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/data)的有效使用提供了參考和指導(dǎo)。
　　4.基于海洋平臺物理模型多激勵（沖擊激勵、張拉激勵以及白噪聲激勵）試驗(yàn)和渤海某平臺現(xiàn)場實(shí)測等振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地證明了數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間法(SSI/data)