環(huán)境激勵(lì)下大型工程結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)識(shí)別方法研究.pdf

1、在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)或物理參數(shù)意味著能夠從結(jié)構(gòu)的激勵(lì)、響應(yīng)信號(hào)或者響應(yīng)信號(hào)的測(cè)最中提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。在過去的幾十年，都是基于實(shí)驗(yàn)室條件下的頻率響應(yīng)函數(shù)或傳遞函數(shù)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，它要求同時(shí)測(cè)得結(jié)構(gòu)受到的激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)。但是對(duì)于橋梁、高層建筑等的大型工程結(jié)構(gòu)，由于種種原因，很難使用實(shí)驗(yàn)室中的方法識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)。這就要求發(fā)展一種僅僅利用結(jié)構(gòu)被測(cè)試的振動(dòng)數(shù)據(jù)和部分輸入數(shù)據(jù)的特征來識(shí)別結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)的方法，即環(huán)境激勵(lì)識(shí)別方法。平穩(wěn)環(huán)境

2、激勵(lì)情形下的處理相對(duì)來說要容易些。因此近些年來，關(guān)于環(huán)境激勵(lì)下的模態(tài)識(shí)別方法主要是在平穩(wěn)激勵(lì)的基礎(chǔ)上提出來的。主要方法有時(shí)間序列識(shí)別方法、隨機(jī)減量技術(shù)、NExT法和隨機(jī)子空間法等。本文首先針對(duì)這些方法分析了它們的特點(diǎn)和不足，為提出基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的識(shí)別方法做準(zhǔn)備。
　　 由于非平穩(wěn)環(huán)境激勵(lì)的復(fù)雜性，人們對(duì)它們的了解很少，所以非平穩(wěn)激勵(lì)下的模態(tài)識(shí)別的方法研究起步較晚。到目前為止，主要集中在時(shí)域和時(shí)頻分析兩方面。近年來研究較多的時(shí)

3、域方法主要有系統(tǒng)參數(shù)和輸入的反演算法、基于時(shí)間序列的ARIMA模型以及時(shí)變參數(shù)的ARMA算法等。而時(shí)頻表示方法主要有Cohen類的時(shí)頻分布、短時(shí)Fourier變換、小波變換和Hilbert-Huang變換。本文在對(duì)這些方法概括的基礎(chǔ)上，指出它們的適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)。
　　 在對(duì)以上傳統(tǒng)方法分析研究的基礎(chǔ)上，論文著重提出了非平穩(wěn)環(huán)境激勵(lì)下兩種模態(tài)識(shí)別的新方法。一是基于連續(xù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，利用隨機(jī)過程的理論，提出了直接識(shí)別結(jié)構(gòu)的物理

4、參數(shù)的精確極大似然估計(jì)方法，即基于CAR或CARMA的參數(shù)識(shí)別方法。從對(duì)環(huán)境激勵(lì)的認(rèn)識(shí)程度，分別考慮了高斯隨機(jī)激勵(lì)和lévy隨機(jī)激勵(lì)下的模型。這種方法直接利用連續(xù)模型進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，無須把連續(xù)模型轉(zhuǎn)化為離散時(shí)序模型，這從某種程度上保證了識(shí)別的精度；直接利用響應(yīng)數(shù)據(jù)來識(shí)別模態(tài)，不像小波變換和HHT變換等，需要對(duì)響應(yīng)利用隨機(jī)減量技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法進(jìn)行分解，然后才能估計(jì)模態(tài)參數(shù)，這點(diǎn)也從一定程度上減少了誤差；該方法估計(jì)模態(tài)參數(shù)過程中，只涉及

5、到積分運(yùn)算和矩陣運(yùn)算，因此計(jì)算量相對(duì)來說比較小。
　　 另一種方法是在對(duì)小波識(shí)別模態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合時(shí)變思想，提出了基于小波變換和協(xié)整理論的一種新的非平穩(wěn)激勵(lì)下系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別的方法。該方法只是利用小波變換這個(gè)工具，把非平穩(wěn)信號(hào)轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)信號(hào)，然后通過平穩(wěn)激勵(lì)下的模態(tài)識(shí)別方法對(duì)非平穩(wěn)激勵(lì)下的系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別。因此這種方法對(duì)小波函數(shù)的要求不是特別嚴(yán)格。
　　 最后通過仿真計(jì)算，研究了高層框架結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別，驗(yàn)