[发明专利]一种考虑非白环境载荷影响的结构模态参数辨识方法

说明书

本发明公开了一种考虑非白环境载荷影响的结构模态参数辨识方法，该方法首先测量工程结构的响应信号并计算功率谱密度函数矩阵。采用频域分解方法，根据功率谱密度函数矩阵的奇异值曲线初步辨识出工程结构的模态参数，包括模态频率和模态振型。随后构造功率谱密度传递率矩阵，根据功率谱密度传递率矩阵奇异值的变化规律剔除由于非白噪声载荷导致的虚假模态参数。最后在剩余的模态频率处对工程结构响应信号进行带通滤波，计算滤波信号的超值峰度系数，根据超值峰度系数进一步剔除谐波载荷导致的虚假模态参数，保留工程结构真实模态参数并作为最终辨识结果。本发明能同时消除非白噪声载荷和谐波载荷的不利影响，具有较大的工程应用意义。

技术领域

本发明涉及一种结构模态参数辨识方法，尤其涉及一种考虑非白环境载荷影响的结构模态参数辨识方法，属于模态参数辨识技术领域。

背景技术

日常生活与工业生产中存在大量的工程结构，处于真实工作状态下的工程结构受到各式各样的激励作用，从而产生结构振动。为避免工程结构在运行状态下产生大幅振动，保证工程结构的安全性，需要在设计阶段对工程结构进行动力学特性分析设计，在工程结构工作阶段通过测量其结构振动响应信号，对其进行动力学特性分析以实现结构动力学特性的监测。作为结构动力学特性的重要表征，结构模态参数在工程结构设计、研制及维护阶段显得十分重要。

作为获取结构模态参数的重要方法和途径，结构模态参数辨识研究成为结构动力学领域的研究重点之一。结构模态参数辨识方法可以通过测量作用在结构上的载荷与结构的响应信号提取出结构的模态参数，主要包括结构的模态频率、模态振型和模态阻尼比。由于处于工作状态下的结构受到的载荷一般为环境载荷，如风载荷、地震载荷、潮汐等，难以精确测量每个位置受到的载荷大小。因此，仅基于工程结构响应信号的结构模态参数辨识方法成为提取工程结构模态参数的最有效的途径。仅基于工程结构响应信号的结构模态参数辨识方法也称为仅输出结构模态参数辨识方法或运行工作模态参数辨识方法。

目前，仅输出结构模态参数辨识方法主要分为频域方法和时域方法。频域方法通常先通过Welch等方法估计出响应信号的功率谱密度函数，随后根据估计的功率谱密度函数进行模态参数辨识，常用频域方法包括频域分解方法(Frequency-domaindecomposition，FDD)、增强频域分解方法(Enhanced FDD，EFDD)、PolyMAX方法等。时域方法直接根据时域信号构建辨识模型，估计出模型的参数后计算结构模态参数，具有无能量泄露和频率分辨率高的优点，常用时域方法包括基于状态空间模型的Ibrahim时域方法(Ibrahim time-domain，ITD)、随机子空间(Stochastic subspace identification，SSI)方法、基于时间序列模型的方法等。

然而，包括上述FDD、EFDD、PolyMAX、ITD、SSI等辨识方法在内的仅输出结构模态参数辨识方法均假设工程结构受到的载荷是宽带白噪声，其功率谱须是平谱。在此假设下，工程结构响应信号功率谱的峰值均是由工程结构的共振频率造成的，因此可仅通过工程结构响应信号辨识出工程结构的模态参数。然而，在实际工作过程中，工程结构受到的载荷复杂多样，很多情况下不满足白噪声假设，具有明显的非白特性。例如：Ariane 5、Titan II等的试验表明，运载火箭发动机的推力也存在低频振荡，其振动主频(最小十几赫兹)位于关注的结构频带内；阵风载荷分析中常用的横向德莱顿(Dryden)阵风功率谱也不具备宽带平谱特征；工程机械中的转轴、风扇等旋转部件及液体晃动等均会产生谐波载荷。

工程结构所受的非白环境载荷可分为两种：一种是非白噪声载荷，具有随机性，例如发动机推力振荡、阵风等属于此类；另一种是谐波载荷，具有周期性，例如转轴、液体晃动等产生的载荷。当工程结构所受载荷属于非白环境载荷时，将会造成无法剔除的虚假模态，影响结构模态参数辨识结果的可靠性，导致工程结构动力学特性的评估结果错误，在应用时具有极大风险。