[發明專利]一種基于有限元的分布隨機動載荷識別方法

在審

• 申請號: 201710567047.X
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107451338A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 吳邵慶;費慶國;李彥斌;董萼良
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 許小莉

本發明公開了一種基于有限元的分布隨機動載荷識別方法。本發明的方法包括步驟：S1.利用多次重復測量方式獲取結構上多點處隨機振動響應樣本集合；S2.建立與實測動響應自由度匹配的縮聚后結構有限元模型；S3.利用KL展開由單元節點處隨機動響應求解分布隨機動載荷；S4：求解結構上隨機動載荷隨空間分布的時變統計特征。本發明解決在時域內利用實測結構動響應樣本識別結構上隨機動載荷隨空間分布的時變統計特征問題，為服役于分布隨機動載荷環境下的工程結構設計與安全評估提供一種動載荷間接獲取手段。

技術領域：

本發明涉及一種基于有限元的分布隨機動載荷識別方法，屬于結構動力學反問題技術領域。

背景技術：

工程結構上的動載荷信息是結構設計和安全評估的依據。許多情況下，動載荷難以通過直接測量獲得，常直接測量結構上的動響應，通過間接識別的手段獲取結構上的動載荷信息。

傳統的動載荷識別方法是利用單次實測的結構動響應數據識別引起該次動響應的激勵信息，是確定性動載荷識別方法。現有的確定性動載荷識別方法被用于獲取工程結構上的集中動載荷，移動載荷以及分布式動載荷等信息。值得注意的是，分布式動載荷識別問題相當于識別無窮多個集中動載荷，難度更大，一般需要將分布式動載荷識別問題降維求解。

實際工程結構上作用的動載荷，如建筑物上的風載荷，海洋平臺承受的海浪載荷以及飛行器表面的氣動載荷等，不僅分布于結構上，而且還具有隨機性。隨機動載荷施加于結構時，動響應也將隨之呈現“隨機性”；因此，單次實測的結構動響應只能是結構隨機動響應信息的其中一個樣本，基于某個響應樣本利用確定性動載荷識別方法獲得的動載荷信息也只能部分反映該隨機動載荷激勵；另外，單次測量中包含的動響應誤差在確定性動載荷識別中也被作為“真實響應”的一部分，引起載荷識別結果的偏差。針對此類分布式隨機動載荷的識別問題，傳統的確定性分布動載荷識別方法和集中隨機動載荷的識別方法均無法適用，需要發展一種針對分布式隨機動載荷識別的新方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于有限元的分布隨機動載荷識別方法，解決在時域內利用實測結構動響應樣本識別結構上隨機動載荷隨空間分布的時變統計特征問題，為服役于分布隨機動載荷環境下的工程結構設計與安全評估提供一種動載荷間接獲取手段。

上述的目的通過以下技術方案實現：

一種基于有限元的分布隨機動載荷識別方法，該方法包括如下步驟：

S1.利用多次重復測量方式獲取結構上多點處隨機振動響應樣本集合；

S2.建立與實測動響應自由度匹配的縮聚后結構有限元模型；

S3.利用KL展開由單元節點處隨機動響應求解分布隨機動載荷；

S4：求解結構上隨機動載荷隨空間分布的時變統計特征。

所述的基于有限元的分布隨機動載荷識別方法，步驟S2中所述的建立與實測動響應自由度匹配的縮聚后結構有限元模型的具體方法包括：

S21：保證動響應測量點為單元節點，利用已知結構參數和有限元方法建立結構有限元模型，獲取結構的質量矩陣和剛度矩陣，結構的阻尼采用瑞利阻尼，阻尼矩陣由質量矩陣和剛度矩陣計算得到；

S22：對結構有限元模型開展模型縮聚，僅保留有實測動響應的自由度信息，獲取與實測動響應自由度匹配的縮聚后結構有限元模型，獲取縮聚后的質量矩陣，剛度矩陣和阻尼矩陣。

所述的基于有限元的分布隨機動載荷識別方法，步驟S3中所述的利用KL展開由單元節點處隨機動響應求解分布隨機動載荷的具體方法包括：

S31：利用實測隨機動響應的樣本集合，求解隨機動響應的協方差矩陣；

S32：對協方差矩陣進行特征值分解，獲取縮聚后有限元模型上各單元節點處隨機動響應KL向量，完成隨機動響應的KL展開；