[发明专利]一种变质量结构模态参数辨识的实验验证方法

摘要

本发明涉及一种变质量结构模态参数辨识的实验验证方法，属于结构动力学模态参数辨识技术领域。本发明设计并搭建一种质量大小与质量分布随时间变化规律精确可控的时变结构；在短时时不变假设下对时变结构的模态参数进行辨识，得到其模态参数随时间的变化规律作为参考基准；进行时变结构动力学实验，测量该时变结构在指定激励下的结构动力学响应信号；用待验证方法对测量数据进行辨识，并将辨识结果与参考基准进行比较，验证该方法的可行性与准确性；在不同的实验条件下对比待验证方法的辨识结果与参考基准，验证该方法的鲁棒性，方法简单可靠。

主权项

一种变质量结构模态参数辨识的实验验证方法，其特征在于：具体包括如下步骤： 步骤1，设计并搭建实验系统； 用于验证时变结构模态参数辨识方法的实验系统包括时变结构、激励系统、力和运动传感器、测量与分析系统、电机系统和支撑台体； 时变结构包括简支梁和滑动质量块，通过质量块在简支梁上的滑动来模拟质量分布随时间变化的时变结构，通过改变质量块的质量大小、运动形式来模拟不同时变特性的时变结构； 激励系统包括激振器和功率放大器，通过设置输出信号的类型与幅值来模拟时变结构真实条件下受到的外部激励； 力和运动传感器包括力传感器、运动传感器，分别用来测量时变结构所受到的激励信号和该激励下的结构动力学响应信号； 测量与分析系统用于预设力和运动传感器的采样频率和采样时间，并对传感器采集到的激励信号和结构动力学响应信号进行处理，为后续的时变结构模态参数辨识提供可用数据；测量与分析系统需配置一台计算机用于数据的处理及存储； 电机系统包括电机、编码器、运动控制器和同步绕线器；其中，编码器和运动控制器控制电机输出端的运动形式，电机输出端直接与同步绕线器固连，以绕线的方式驱动质量块在简支梁上滑动；电机、编码器和运动控制器构成闭合回路，对电机输出端和质量块的运动形式进行精确控制；通过电机系统预设力和运动传感器采样开始时刻质量块所需满足的运动信息标准，滑动过程中，当质量块的位置或者速度或者加速度信息满足该预设运动信息标准时，电机系统中的运动控制器立即通过传输电缆向测量与分析系统发送一个电压阶跃信号，测量与分析系统接收到该电压阶跃信号后立即启动力和运动传感器开始采样，采样终止时刻则通过测量与分析系统预设； 支撑台体支撑时变结构，提供时变结构所需的边界条件； 上述组成的连接关系为：将时变结构中的简支梁安装在支撑台体上，质量块安装在简支梁上；质量块与同步绕线器通过细线相连；将力传感器和运动传感器粘接到简支梁下表面，并分别通过传输电缆同测量与分析系统连接，力传感器与激振器相连，激振器则通过功率放大器间接地同测量与分析系统相连；电机系统中的运动控制器通过传输电缆同测量与分析系统相连，且运动控制器、测量与分析系统均通过传输电缆与计算机相连； 步骤2，获取时变结构模态参数的参考基准； 基于短时时不变假设，将步骤1中质量块在简支梁上的滑动过程划分为多个微小时间段，每一个时间段的结构特性设为时不变，采用现有的时不变结构模态参数辨识方法对每一个时间段进行辨识，将得到的模态参数作为该时间段内质量块通过对应位置时的时变结构模态参数的参考基准； 步骤3，进行时变结构动力学实验； 在实验开始前，通过电机系统预设质量块的具体运动形式、预设力和运动传感器采样开始时刻质量块的运动信息标准，通过测量与分析系统预设力和运动传感器的采样终止时刻和采样频率； 时变结构动力学实验具体操作过程如下： 步骤3.1，启动激励系统，使时变结构处于激励系统的持续激励下； 步骤3.2，启动电机系统，使质量块按预设的运动形式在简支梁上滑动； 步骤3.3，质量块在简支梁上滑动的过程中，当质量块的位置或者速度或者加速度运动信息满足实验前对采样开始时刻质量块运动信息的预设标准时，电机系统中的运动控制器立即通过传输电缆向测量与分析系统发送一个电压阶跃信号，测量与分析系统接收到该电压阶跃信号的同时启动力和运动传感器，使其按照预设的采样频率开始采样； 步骤3.4，当采样时间达到测量与分析系统预设的终止时刻后，采样结束；测量与分析系统把力传感器采集到的结构所受的激励信号、运动传感器采集到的结构动力学响应信号分别存储，并作为后续时变结构模态参数辨识的可用数据； 步骤4，验证时变结构模态参数辨识方法的可行性与准确性； 采用待验证的时变结构模态参数辨识方法对步骤3所获取的可用数据进行辨识，并将该方法的辨识结果与步骤2获取的时变结构模态参数的参考基准进行对比，通过比较两者的误差来检验待验证辨识方法的可行性与准确性； 步骤5，验证时变结构模态参数辨识方法的鲁棒性； 改变步骤3中时变结构动力学实验的实验条件，如质量块质量、质量块运动形式、激励信号类型等，并依次重复步骤3和步骤4的过程，在不同实验条件下，将待验证辨识方法所得的辨识结果与参考基准进行比较，检验待验证辨识方法的鲁棒性。