基于随机子空间法的海洋平台模态参数识别技术研究

发布时间：2018-01-12 13:12

本文关键词：基于随机子空间法的海洋平台模态参数识别技术研究　出处：《中国海洋大学》2013年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：海洋平台结构复杂、造价昂贵,且服役环境恶劣。为了避免重大恶性事故的发生,需要对海洋平台结构在服役期内进行定期／不定期的检测和安全评估。特别是服役中后期的海洋平台及超期服役的平台,实施有效的健康检测具有更加重要的意义。基于海洋平台振动测试响应的结构健康检测技术能够对结构的健康状况进行全面的检测,是一种全局检测方法,其中模态参数的识别是该技术的基础性和关键性环节。因此,准确掌握海洋平台模态参数显得尤为重要。早期的模态参数识别方法主要是基于频域响应的方法,但是由于频域方法存在频谱估计的局限性、频谱泄漏等问题,所以目前模态参数识别方法的发展趋势是使用基于结构时域振动响应的输入-输出或者输出的模态参数识别方法。其中复指数法(PRONY)、特征系统实现法(ERA)、随机子空间法(SSI)是在其他领域中模态识别效果较好的几种方法。本文通过对现有典型时域方法(复指数法(PRONY)、特征系统实现法(ERA)、随机子空间法(SSI))的性能比较,旨在发展一套有效的海洋平台模态参数精确识别技术。研究了有效获取结构的模态参数的方法,通过数据驱动随机子空间法(SSI/data)和协方差驱动随机子空间法(SSI/cov)差异性以及数据驱动随机子空间法(SSI/data)Hankel矩阵与噪声关系的深入研究完善了现有的模态参数识别技术,为进一步的结构健康检测和安全评价提供了理论基础和技术支持。主要研究工作如下： 1.在不同激励方式(冲击激励、张拉激励以及白噪声激励)下分别对比复指数法(PRONY)、特征系统实现法(ERA)和随机子空间法(SSI/data和SSI/cov),证明了数据驱动随机子空间法(SSI/data)能够适用于不同激励下的模态参数识别,而且模态识别能力最强。 2.传统观点认为数据驱动随机子空间法(SSI/data)和协方差驱动随机子空间法(SSI/cov)无论在理论上还是实际应用中都是一致的。通过蒙特卡洛试验、函数试验分别证明了协方差驱动随机子空间法(SSI/cov)识别模态数目少和模态参数估计精度不高等缺点,数据驱动随机子空间法(SSI/data)有更强的模态识别能力：消噪能力强、准确识别临近模态、模态估计结果精度高等。继而从理论上分析了两种方法存在差异的原因：数据有限性和QR分解算法,并通过数值试验进行了验证。 3.深入研究了数据驱动随机子空间法(SSI/data),推导了Hankel矩阵的构建方式与数据驱动随机子空间法的消噪能力的关系式。提出了一套数据驱动随机子空间法(SSI/data) Hankel矩阵维数的评估方法,即归一化奇异值曲线、稳定图和有限元模态结果相结合的方式。分别利用数值算例和模型试验检验了该方法的有效性,研究表明：数据驱动随机子空间法(SSI/data)的Hankel矩阵应设置成非方阵。为今后数据驱动随机子空间法(SSI/data)的有效使用提供了参考和指导。 4.基于海洋平台物理模型多激励(冲击激励、张拉激励以及白噪声激励)试验和渤海某平台现场实测等振动响应数据,系统地证明了数据驱动随机子空间法(SSI/data)在海洋平台模态参数识别中的适用性和优越性。同时验证了激励方式与海洋平台模态之间的关系。
[Abstract]:Ocean platform structure is complex , cost is expensive , and service environment is bad . In order to avoid the occurrence of major vicious accidents , it is necessary to carry out regular / irregular inspection and safety assessment of offshore platform structure in service period . The early modal parameter identification method is mainly based on the frequency domain response method , but because of the limitation of spectral estimation and frequency spectrum leakage in the frequency domain method , the development trend of the present modal parameter identification method is to use the input - output or the output modal parameter identification method based on the structural time domain vibration response . The complex exponential method ( PRONY ) , the characteristic system realization method ( ERA ) and the random subspace method ( SSI ) are several methods in other fields . In this paper , by comparing the performance of existing typical time domain method ( PRONY ) , characteristic system realization method ( ERA ) and random subspace method ( SSI ) , this paper aims at developing a set of effective method of modal parameter identification of offshore platform . The research on the effective acquisition structure modal parameters provides theoretical basis and technical support for further structural health detection and safety evaluation . 1 . In different modes of excitation ( shock excitation , tension excitation and white noise excitation ) , the complex exponential method ( PRONY ) , the characteristic system realization method ( ERA ) and the random subspace method ( SSI / data and SSI / cov ) are respectively compared . It is proved that the data - driven random subspace method ( SSI / data ) can be applied to the modal parameter identification under different excitation , and the modal identification capability is strongest . 2 . It is believed that the data - driven random subspace method ( SSI / data ) and the covariance - driven random subspace method ( SSI / cov ) are consistent both in theory and in practical application . 3 . The data - driven random subspace method ( SSI / data ) is deeply researched , and the relation between the construction mode of Hankel matrix and the denoising capacity of the data - driven random subspace method is derived . A set of data - driven random subspace method ( SSI / data ) Hankel matrix dimension evaluation method is presented , which is the normalized singular value curve , the stability graph and the finite element modal result . The results show that the Hankel matrix of the data - driven random subspace method ( SSI / data ) should be set into a non - square matrix . 4 . The applicability and superiority of the data - driven stochastic subspace method ( SSI / data ) in the recognition of the modal parameters of the offshore platform are systematically demonstrated based on the multi - excitation ( shock excitation , tension excitation and white noise excitation ) test of the ocean platform physical model and the field measurement of a certain platform in the Bohai Sea .

【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P742;TU317

【引证文献】