基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验与参数辨识研究

发布时间：2017-10-05 08:44

  本文关键词：基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验与参数辨识研究

  更多相关文章： 光纤布拉格光栅传感器 应变模态 模态参数辨识 结构动力学实验 应变测试 有限元模型修正 位移模态振型辨识

【摘要】：随着空间技术的发展,对大型航天器的需求变得愈加迫切,大型化导致的结构轻质量、高柔性给航天器设计和应用带来了巨大挑战,因此如何实现对大型复杂航天器结构的在线模态参数辨识、实时健康监测以及控制变得至关重要。由于传统的结构动力学测量方法主要基于加速度传感器,而加速度传感器在质量、体积、线路布置以及信号抗干扰性等方面的局限,使其无法很好地适用于航天器结构的多点分布式实时测量。然而,光纤布拉格光栅传感器所具有的复用、轻质、不易受电磁干扰等特点却使其能够很好地适应航天器结构的在线测量和监测。本文研究了基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验及参数辨识方法,为航天器的动力学参数辨识、航天器结构的在线健康监测以及动力学特性设计提供理论支持和技术途径。本文的主要工作和研究结论归纳如下:(一)介绍了本文的研究背景和意义,对光纤布拉格光栅传感器在国内外的研究和应用现状、应变模态分析的研究现状、模态参数辨识的研究现状与进展,以及有限元模型修正研究概况进行了总结,为进一步开展基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验与参数辨识研究提供了基础。(二)总结了应变模态分析的基本理论。从位移模态引出应变模态的基本概念,推导了应变模态模型,并讨论了应变模态振型之间的正交性、应变频响函数矩阵的特点等,为进行结构应变模态实验及应变模态参数辨识提供了理论依据和前提假设。(三)研究了光纤布拉格光栅传感技术,总结并分析了光纤布拉格光栅传感器对结构进行动应变响应测量的基本原理以及基本技术指标,探讨了光纤布拉格光栅传感器的动态响应特性,介绍并总结了光纤布拉格光栅传感系统涉及的光纤光栅解调技术和复用技术两项关键技术。在光纤布拉格光栅传感技术的基础上,本文提出了利用光纤布拉格光栅传感器对结构进行结构动力学测量的方法,设计并搭建了能同时测量动应变响应和加速度响应的实验系统,并给出了详细的实验步骤。(四)利用应变与位移的关系,建立了基于最小二乘复频域法的结构应变模态参数辨识模型,并提出了相应的辨识方法。根据基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验所得数据,分别辨识了不同猝发随机激励下的单输入多输出结构动力学系统应变模态参数和位移模态参数,并利用该方法辨识了仅输出系统的应变模态参数,并进行了对比分析。(五)提出了基于有限元模型修正的位移模态振型辨识方法。基于应变模态参数辨识结果对有限元模型进行修正,并通过修正后的有限元模型仿真得到更精确的位移模态振型,从而建立从应变模态至位移模态的转换关系,以解决光纤布拉格光栅无法直接测量结构位移模态参数的问题。以附加质量的梁结构为实验结构,利用基于序列径向基函数代理模型的优化算法对其有限元模型进行了修正。根据修正后的有限元模型仿真得到附加质量梁结构的位移模态振型,并与辨识出的位移模态振型进行了对比分析。结果表明,基于应变模态参数辨识结果的有限元模型修正可以有效提高有限元模型的准确性,从而能够仿真得到更为准确的位移模态振型。
【关键词】：光纤布拉格光栅传感器 应变模态 模态参数辨识 结构动力学实验 应变测试 有限元模型修正 位移模态振型辨识
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V414
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第1章 绪论15-29
• 1.1 研究背景和意义15-16
• 1.2 光纤布拉格光栅传感器的研究和应用现状16-19
• 1.2.1 国外研究和应用现状16-18
• 1.2.2 国内研究和应用现状18-19
• 1.3 应变模态分析的研究现状19-20
• 1.4 模态参数辨识综述20-25
• 1.4.1 输入输出模态参数辨识方法20-24
• 1.4.2 环境激励下的模态参数辨识方法24-25
• 1.5 有限元模型修正技术的研究概况25-27
• 1.6 本文的研究工作与内容安排27-29
• 第2章 应变模态分析基本理论29-38
• 2.1 引言29
• 2.2 模态分析与变形能平衡的概念29-30
• 2.3 应变响应的模态模型的几种推导方法30-35
• 2.3.1 直接推导法30-32
• 2.3.2 基于连续体振动微分方程的推导32-33
• 2.3.3 基于有限元法的应变响应的模态模型33-35
• 2.4 应变模态振型之间的正交性35-36
• 2.5 应变频响函数矩阵及其特点36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第3章 基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验研究38-68
• 3.1 引言38
• 3.2 光纤布拉格光栅传感技术38-60
• 3.2.1 光纤布拉格光栅传感器工作原理及基本技术指标38-41
• 3.2.2 光纤布拉格光栅传感器动态响应特性分析41-47
• 3.2.3 光纤光栅解调技术47-56
• 3.2.4 光纤布拉格光栅传感器的复用技术56-60
• 3.3 基于光纤布拉格光栅传感器的结构动力学实验60-67
• 3.3.1 有限元仿真分析60-61
• 3.3.2 实验系统设计61-64
• 3.3.3 初步实验结果64-67
• 3.4 本章小结67-68
• 第4章 结构动力学系统应变模态参数辨识68-82
• 4.1 引言68-69
• 4.2 基于最小二乘复频域法的应变模态参数辨识方法69-76
• 4.2.1 矩阵分式模型69-71
• 4.2.2 加权线性最小二乘的形式71-72
• 4.2.3 基于减缩正则方程的求解方法72-73
• 4.2.4 模态参数计算73-74
• 4.2.5 环境激励下应变模态参数的辨识74-75
• 4.2.6 稳定图理论75-76
• 4.3 实验结果分析76-81
• 4.3.1 考虑输入输出的应变模态参数辨识结果及分析76-79
• 4.3.2 仅输出的应变模态参数辨识结果及分析79-81
• 4.4 本章小结81-82
• 第5章 基于有限元模型修正的位移模态振型辨识82-98
• 5.1 引言82
• 5.2 有限元模型修正82-85
• 5.3 基于序列径向基函数代理模型的优化方法85-89
• 5.3.1 计算试验设计方法85
• 5.3.2 RBF模型数学基础85-87
• 5.3.3 SEO-SRBF优化流程87-88
• 5.3.4 重点采样空间技术88-89
• 5.4 基于有限元模型修正的模态振型辨识89-97
• 5.4.1 有限元模型89-91
• 5.4.2 应变模态参数辨识结果91-94
• 5.4.3 基于应变模态参数辨识结果的有限元模型修正94-96
• 5.4.4 基于有限元模型修正的位移模态分析96-97
• 5.5 本章小结97-98
• 第6章 总结与展望98-101
• 6.1 本文总结98-99
• 6.2 本文的贡献及创新之处99
• 6.3 有待进一步研究的问题99-101
• 参考文献101-110
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单110-111
• 致谢111

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