[發明專利]一種基于擴展稀疏分量分析的非比例阻尼結構模態識別方法

有效

• 申請號: 201810980399.2
• 申請日: 2018-08-27
• 公開（公告）號: CN109376330B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 伊廷華;姚小俊;曲春緒;李宏男
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/14
• 分類號: G06F17/14;G06F17/15;G06F17/16;G06K9/62
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明屬于結構健康監測技術領域，提供了一種基于擴展稀疏分量分析的非比例阻尼結構模態識別方法。采用Hilbert變換構造結構加速度響應數據的解析信號，將解析信號通過短時傅里葉變換轉換到時頻域，將相鄰頻率點處時頻系數的相關系數接近于1作為標準，檢測出時頻平面內僅有一階模態參與貢獻的時頻點即單源點；利用單源點處計算的相位，采用局部異常因子法對單源點內的孤立點進行剔除；對單源點處的時頻系數幅值進行層次聚類，可得到估計的復振型幅值，各類單源點內相位的均值即為復振型相位的估計，最終得到復振型；模態響應可通過稀疏重構方法進行估計。本方法拓展了稀疏分量分析方法的應用范圍，能夠獲得具有非比例阻尼的結構的復模態。

技術領域

本發明屬于結構健康監測數據分析技術領域，涉及具有非比例阻尼的結構模態識別方法，具體為采用擴展的稀疏分量分析方法對具有非比例阻尼的結構進行模態識別。

背景技術

結構的模態參數包括結構的頻率、振型和阻尼比，這些參數代表了結構的主要動力特性。模態分析的實質是用無阻尼系統的各階主振型將振動系統解耦，從而將物理坐標下的振動響應轉換到模態坐標下。盲源分離技術的研究對象是線性混合的系統，旨在從觀測信號中分離出混合矩陣和源信號。由此可見，盲源分離理論與模態識別的目的一致。從而，盲源分離技術適用于結構模態識別。

近些年，許多盲源分離方法被成功應用到模態識別。獨立分量分析方法將各階模態響應視為相互獨立的信號，采用非高斯性最大化可同時獲取振型和各階模態響應；二階盲辨識方法利用各階模態響應之間的不相關性，通過將振動響應的互相關矩陣對角化得到振型；稀疏分量分析方法利用振動信號在時頻域內的稀疏性，通過聚類和稀疏重構得到振型和模態響應。這些方法在模態識別中顯現出了使用方便、計算快捷等優勢，但是這些方法的使用需滿足結構具有比例阻尼的前提條件。

當結構具有非比例阻尼時，振動系統的振型和模態響應均為復數，此時結構產生的模態為復模態。由于實際結構的阻尼并不嚴格服從比例阻尼，考慮結構的復模態更符合實際要求。針對復模態問題，目前研究者們已提出了多種方法。例如，采用Hilbert變換構造振動信號的解析信號，運用二階盲辨識方法分離出復模態振型和模態響應；另外，同時使用位移和速度數據避免了Hilbert變換引起的誤差，使得識別結果更具有魯棒性；振動系統的復模態疊加可表達為欠定盲源分離的問題，從而采用欠定二階盲源辨識方法可直接從位移數據中獲取復模態。然而這些方法均要求傳感器個數多于或者等于待識別的模態階數，對于大型土木工程結構現場測試，安裝的傳感器個數有時會少于待識別的模態階數。稀疏分量分析方法是針對欠定盲源分離問題提出的，在傳感器個數較少時具有很大的優越性，然而該方法僅限于具有比例阻尼的結構使用。因此，將稀疏分量分析方法擴展到非比例阻尼結構的模態識別具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種擴展的稀疏分量分析方法，將稀疏分量分析方法的應用范圍擴展到具有非比例阻尼的結構模態識別中。

本發明的技術方案：

一種基于擴展稀疏分量分析的非比例阻尼結構模態識別方法，采用Hilbert變換構造振動信號的解析信號，對解析信號進行短時傅里葉變換轉換到時頻域，采用單源點檢測技術從時頻域中挑選出僅有一階模態參與貢獻的點，即單源點；計算單源點處的相位，并依據相位數據采用局部異常因子對單源點中的孤立點進行剔除；采用層次聚類方法對時頻點的幅值進行聚類，得到復振型的幅值，同時將聚類結果中各類別單源點下的相位進行平均，得到復振型的相位，最終得到復振型；依據復振型和振動響應，對模態響應進行重構，提取各階頻率和阻尼比；

具體步驟如下：

第一步，構造加速度信號的解析信號