[发明专利]一种高频底座力天平的动力校准方法

说明书

技术领域

本发明属于仪器校准技术领域，特别涉及一种高频底座力天平的动力校准方法。

背景技术

高频底座力天平(HFFB)技术凭借其模型制作简单、试验周期短等特点被广泛应用于超高层建筑的抗风试验研究。HFFB属于多分量(通常是五分量或六分量)天平范畴，多分量天平会不同程度出现各分量之间相互干扰或耦合问题，通常需要在出厂前进行校准确定各分量和相应传感输出的模拟信号的转换矩阵，最终实现解耦。这种校准技术严格上讲只适用于静态测量，当天平安装上被测模型后，由模型和天平构成的天平模型系统(BMS)的质量发生很大变化会大大改变BMS的结构动力特性，同时实际模型的非刚性化会进一步加剧BMS结构动力特性的复杂程度，因此会导致测量的动态信号存在不同程度的耦合问题而增加信号修正的难度并影响信号的可用性。在理想情况下，BMS的频率(f_B)足够高(这是HFFB技术的要求)，经静力解耦后的测量信号可采用适当的低通滤波处理后直接使用；但若f_B偏低，则会影响所测气动力的可用性。为了保证气动荷载功率谱具有更大的带宽，通常在对测量数据进行应用之前，需要对测得的荷载谱进行修正，消除BMS的动力放大作用以获取频域频带更宽的气动力信号。

该领域的已有处理方法主要有：

1、单模态修正，用于BMS的信号不存在明显信号耦合情况，可采用简单敲击方法识别各个分量的固有频率和阻尼比，根据识别结果使用机械导纳函数在频域对信号进行修正。

2、固定振型修正，针对信号存在耦合的情况，该方法采用一些人为假定或有限元建模模拟的方法确定BMS的耦合关系，其实质是BMS系统的振型是确定的、也即解耦矩阵已知的。

3、直线近似方法，这是一些国际著名风工程咨询公司的做法，为了简化计算，结合气动力谱在高频段的特征直接将共振响应曲线区间在双对数坐标下用一条固定斜率的直线代替。

以上方法中，方法1采用常规的敲击方法识别出来的BMS固有频率和阻尼比不能反映风与结构的相互作用(WSI)的影响，方法2亦存在此问题，忽略WSI效应会导致BMS固有频率尤其是模态阻尼比识别的误差，从而会影响到测量信号在跨共振峰处的修正效果，从而无法对信号进行有效的跨共振区修正；方法2采用先入为主的方法假定了BMS的振型，这等同于认为假定了BMS的信号分离矩阵，这种方法明显违反参数识别的基本原则，在所假定的振型和实际模型的振型不符时会影响信号的分离效果，进而会影响到固有频率和阻尼比的正确识别，最终同样无法对信号进行有效的跨共振区修正；方法3仅仅是没有找到合理解决方法时，一种粗略的近似。综上，已有方法在一定频率范围内对于被测信号的畸变程度的修正具有一定的积极作用，但仍然存在不足之处。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高频底座力天平的动力校准方法，在采用有效分离方法对耦合信号进行有效分离的基础上，对由分离得到的独立成份分量，结合气动力特征采用曲线拟合方法对分离信号逐一进行固有频率和模态阻尼比的识别，进而修正并消除了模态耦合系统的动力放大作用，最终得到真实的气动荷载谱密度矩阵，可最大程度地提高参数识别和相应HFFB动态信号校准的可靠性，为后续高层建筑原型风致响应的准确估计奠定重要基础。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种高频底座力天平的动力校准方法，包括以下步骤：

S1：对测量信号x(t)进行白化得到白化后信号z(t)；

S2：寻求正交矩阵V，使得z(t)＝Vq(t)，计算进而得到分离信号、即模态响应信号q(t)；

S3：在模态坐标下，对分离信号进行固有频率和模态阻尼比识别；

S4：根据识别得到的参数，对分离信号进行修正；

S5：由分离信号逆推，得到修正后的气动荷载。

优选的，步骤S1中对测量信号x(t)进行白化的具体步骤是：

S1-1：计算x(t)的协方差矩阵C_x:

C_x＝E[x(t)x^T(t)]

S1-2：对C_x进行特征值分解，得到相应的特征向量矩阵E和特征值对角矩阵D；

S1-3：计算白化矩阵W：

W＝D^-1/2E^T

假定C_x是正定的，其特征值均为正，从而保证白化矩阵W必然存在；

S1-4：计算白化后信号z(t)：

z(t)＝Wx(t)。