[發(fā)明專利]海洋結(jié)構(gòu)弱模態(tài)識(shí)別與時(shí)域重構(gòu)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610008408.2
• 申請(qǐng)日: 2016-01-07
• 公開（公告）號(hào): CN105654062B
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李華軍;劉福順;劉程程;盧洪超;楊琪;曹錦超;侯法壘;金磊;陳杰峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國海洋大學(xué)
• 主分類號(hào): G06K9/00
• 分類號(hào): G06K9/00
• 代理公司: 青島中天匯智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37241
• 代理人: 劉水明

本發(fā)明涉及一種海洋結(jié)構(gòu)弱模態(tài)識(shí)別與時(shí)域重構(gòu)方法，特別是針對(duì)海洋結(jié)構(gòu)測試信號(hào)中包含高水平噪聲時(shí)海洋結(jié)構(gòu)弱模態(tài)識(shí)別問題，包括：S1、獲取海洋結(jié)構(gòu)實(shí)測信號(hào)；S2、將實(shí)測信號(hào)非諧波分解；S3、弱模態(tài)極值分離與識(shí)別；S4、弱模態(tài)時(shí)域信號(hào)重構(gòu)。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)模態(tài)識(shí)別方法難于提取淹沒于高水平噪聲中弱模態(tài)的難題，從極值?留數(shù)均為復(fù)數(shù)角度出發(fā)，構(gòu)建實(shí)測信號(hào)時(shí)間序列形式，使時(shí)域信號(hào)重構(gòu)更準(zhǔn)確，為海洋結(jié)構(gòu)弱模態(tài)提取和時(shí)域重構(gòu)提供了一種新方法，工程應(yīng)用前景廣闊。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種海洋結(jié)構(gòu)弱模態(tài)識(shí)別與時(shí)域重構(gòu)方法，特別是針對(duì)海洋結(jié)構(gòu)測試信號(hào)中包含高水平噪聲時(shí)海洋結(jié)構(gòu)弱模態(tài)識(shí)別問題。

背景技術(shù)

近年來各國越來越重視海洋資源的開發(fā)與利用，相繼建造了許多諸如跨海大橋、海洋平臺(tái)、海底油氣管道、海底隧道、超大型浮體等海洋工程結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)容易在波、流、地震等外部荷載的作用下產(chǎn)生有害振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生疲勞破壞、而且其施工難度大，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用高，因此，為了保障海洋結(jié)構(gòu)的安全服役、避免重大的惡性事故發(fā)生；對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷，并在保障安全的條件下及時(shí)修復(fù)具有重要意義。

海洋結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別是模型修正、損傷識(shí)別以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析的關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。由于海洋結(jié)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量比較大，使用人工激勵(lì)的方式獲取其脈沖響應(yīng)函數(shù)往往比較困難，因此環(huán)境激勵(lì)作為一種較理想的激勵(lì)方式，常被用于模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。

現(xiàn)有技術(shù)中多采用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析(EMA)方法，一種主要利用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別的模態(tài)分析方法。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基于確定性的輸入及測得的振動(dòng)響應(yīng)來確定頻率響應(yīng)函數(shù)，由于海洋結(jié)構(gòu)的輸入往往難以獲得，后來發(fā)展了基于輸出的模態(tài)識(shí)別方法；基于輸出的模態(tài)參數(shù)識(shí)別包括峰檢法(PP)、頻域分解法(FDD)、頻率空間域分解法(FSDD) 等頻域方法，以及多參考復(fù)指數(shù)法(PRCE)、特征系統(tǒng)最小實(shí)現(xiàn)法(ERA)、隨機(jī)子空間法(S SI)等時(shí)域方法，但這些模態(tài)分析方法對(duì)于弱模態(tài)的識(shí)別都有一定局限性。

對(duì)于實(shí)際的海洋結(jié)構(gòu)，由于風(fēng)、浪、流和平臺(tái)工作荷載是隨時(shí)間變化的，因此海洋結(jié)構(gòu)也是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，在這些環(huán)境激勵(lì)下，實(shí)測數(shù)據(jù)中往往包含大量環(huán)境噪聲，從而使所激勵(lì)出的海洋結(jié)構(gòu)部分真實(shí)模態(tài)相對(duì)較弱并且淹沒于這些噪聲中，若采用奇異值分解(SVD)等方法進(jìn)行信號(hào)消噪，這些弱模態(tài)隨著噪聲一起被消除，以致傳統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法難于準(zhǔn)確識(shí)別，更無法得到其真實(shí)弱模態(tài)的時(shí)域序列，不便于對(duì)海洋結(jié)構(gòu)的分析。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷提出的一種海洋結(jié)構(gòu)弱模態(tài)識(shí)別與時(shí)域重構(gòu)方法，克服傳統(tǒng)模態(tài)識(shí)別方法難以提取淹沒于高水平噪聲中弱模態(tài)的難題，同時(shí)信號(hào)進(jìn)行非諧波分解時(shí)考慮阻尼特性，使時(shí)域信號(hào)重構(gòu)更準(zhǔn)確。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種海洋結(jié)構(gòu)弱模態(tài)識(shí)別與時(shí)域重構(gòu)方法，包括：

S1、獲取海洋結(jié)構(gòu)實(shí)測信號(hào)；

S2、將實(shí)測信號(hào)非諧波分解：

S21、將實(shí)測信號(hào)構(gòu)建成的形式，其中y_k為實(shí)測信號(hào)時(shí)間序列，Δt為時(shí)間步長，p為分解階次，λ_n＝-α_n+i2πf_n、分別為極值與留數(shù)，α_n為系統(tǒng)阻尼比，f_n為系統(tǒng)固有頻率，A_n為振動(dòng)幅值，θ_n為正弦振動(dòng)初始相位；

S22、求取極值與留數(shù)的值：構(gòu)建Hankel矩陣，應(yīng)用奇異值分解技術(shù)求取極值與留數(shù)的值；通過在低階狀態(tài)空間求取特征值，數(shù)值獲取更穩(wěn)定；

S23、構(gòu)建極值與系統(tǒng)固有頻率f_n的關(guān)系；可以迅速識(shí)別頻率與極值的關(guān)系，較容易的在大量噪聲模態(tài)中識(shí)別能量相對(duì)較弱的結(jié)構(gòu)真實(shí)模態(tài)；

S3、弱模態(tài)極值分離與識(shí)別；

S4、弱模態(tài)時(shí)域信號(hào)重構(gòu)。