[发明专利]基于模态强度的振动场监测优化方法

说明书

本发明公开了一种基于模态强度的振动场监测优化方法，该方法首先通过剔除模态强度低的模态、保留高能模态，缩减用于计算的模态数量；再基于模态独立性原则，从均匀布置所需的所有传感器位置中，剔除对模态独立性贡献较小的位置，仅保留保证模态独立性有效的位置，通过多次循环迭代、每次迭代剔除一个位置，最终实现测点数量的缩减和测点位置优选。然后基于模态叠加法，仅采用数量缩减、位置优选后传感器组的测量数据，重构整个结构的振动响应场，即可获取整个结构各部位的振动响应。本发明解决了对船舶等大尺度结构作振动监测时规模过大的难题，建立了振动测量传感器数量和布置位置的优选方法，为振动监测系统提供了监测布局的简便、准确方法。

技术领域

本发明涉及船舶监测技术，尤其涉及一种基于模态强度的振动场监测优化方法。

背景技术

船体结构等大尺度结构的振动监测存在难以克服的矛盾：测量传感器数量与测量精度难以两全。高精度测量需要大量传感器均匀布置到结构上，传感器数量过少会导致测量精度不足。但是船舶载重能力和空间有限，尽量减少传感器数量及其信号线等附属物，可以减少占用的重量和空间，同时可节省建造和维护成本，对船舶设计具有重要价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于模态强度的振动场监测优化方法,通过减少传感器数量能节省空间、重量和成本，并显著降低测量分析工作量，解决振动测量传感器数量和布置位置的优选问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于模态强度的振动场监测优化方法，包括以下步骤：

1)将振动加速度传感器均匀布置在大尺度壳体结构表面；

2)对壳体进行激励，测试各个振动响应点的振动数据；每个振动加速度传感器为一个振动响应点；

3)对测试数据进行模态分析，识别各模态，并得到了各模态振型；

定义模态强度作为表征第i阶模态强弱程度的数值表示,

其中，m为模态总数，表示第i阶模态在第j个激励的作用点处的模态振型值，ω_i为该模态圆频率；

4)计算各模态的归一化模态强度，然后根据计算结果进行模态优选，优选占总强度设定比例的强度较大的N个高能模态；

5)对初始振动响应点，基于模态强度的有效独立法，从大量均匀布置在结构上的s个传感器测点位置中剔除部分位置，仅保留E个传感器测点位置，同时保证通过E个测点识别出的模态保持线性独立，并且是完备的；其中，E<s且E不小于结构模态截断数；

6)对优选获得的测量传感器位置和数量，在这些位置测量振动响应后，对整个结构振动场进行重构，获得结构上所有部位的振动响应，实现对结构的振动监测。

按上述方案，所述步骤4)中总强度设定比例为80％至90％。

按上述方案，所述步骤5)中传感器测点位置的剔除方法如下：

5.1)根据模态叠加原理，系统的响应表示为：

其中，{u}∈R_s×1，表示物理坐标：φ_s为第i阶模态向量，φ_s∈R_s×m，表示模态向量矩阵；q_i为第i阶模态坐标，{q}∈R_m×1，s代表测量传感器的总数，m代表模态阶数；

5.2)构造矩阵E：