海洋结构模态参数无虚假识别方法
【专利摘要】本发明提出一种海洋结构模态参数无虚假识别方法，包括如下步骤：A、海洋结构实测信号获取，B、海洋结构实测信号分离、光滑及重构，C、海洋结构模态参数识别核心矩阵构造，D、海洋结构模态参数无虚假识别。本发明其克服了虚假模态比目标识别模态强时必须将虚假模态考虑其中进行识别的缺点，并能以最小的核心矩阵实现海洋工程结构的模态识别，工程应用前景广阔。
【专利说明】海洋结构模态参数无虚假识别方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种海洋结构模态参数无虚假识别方法，特别是针对海洋平台、海上风电、海上升压站在自然环境激励条件下的模态参数识别问题。
【背景技术】
[0002]海洋平台结构是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地。随着我国海洋油气资源开发活动的快速发展，海洋平台结构也得到了高速的发展，已建成的各类海洋平台300余座。海洋平台结构复杂、造价昂贵，与陆地结构相比，其服役环境更加恶劣。它不仅承受风、海浪、海流、海冰和潮汐等环境荷载的长期作用，也受到地震灾害的威胁。并且，环境腐蚀、海生物附着、海底冲刷、地基土软化和疲劳损伤等因素都将影响海洋平台的安全服役，降低海洋平台的使用寿命。
[0003]为了保障海洋平台结构的安全服役，避免重大的恶性事故发生，必须能够及时发现海洋平台结构损伤，并在保障安全的条件下及时修复。而模态参数识别是结构损伤检测技术的基础性和关键性的环节。尤其对海洋平台而言，其所处的环境条件给实际测量造成了一定的困难，实测数据不可避免地包含大量噪声，直接依靠输出的响应信息提取平台结构的模态参数必然存在较大的误差，该误差势必影响到海洋平台结构安全状况的评价结果。目前最常用的信号分析方法主要有傅里叶变换、Wigner-Ville分布，小波变换，HHT,Prony方法等。然而这些信号分析方法在实际应用时普遍存在如下缺陷:上述分析方法一则很难准确地分析振动本身携带的振动性能，二则由于分解方法本身的缺陷，使得分解出的信号实际上完全背离了原始振动信号携带的振动特性。例如，涡激振动是一个瞬时振动过程，只有依靠能反映振动信号时间-频率-能量的瞬时信号分析方法才能最大限度的分析出信号的振动特性来。系统识别是通过对研究对象进行振动测试，量测研究对象在人工激励下的输出响应，或正常运行状态下的输入输出数据，加以必要的分析、计算，识别出对象的动力学方程(数学模型)的理论和方法。目前，系统辨识理论研究在传统的土木工程结构中已经取得大量研究成果。常用的系统识别方法包括峰值法、ITD法、特征系统实现算法(ERA )、时间序列(ARMA )法、复 指数法、随机子空间法等。
[0004]常规模态参数识别技术，当环境噪声较为明显时，为识别出相对较弱的模态信息，往往需要人为增大模态识别阶次，从而导致大量虚假模态产生。尤其当噪声模态较真实模态显著时，传统方法如要识别出该相对较弱的真实模态，其虚假模态往往无法剔除，最终以至于在虚假模态较多时无法确定结构的真实模态。
【发明内容】
[0005]本发明提出一种海洋结构模态参数无虚假识别方法，其克服了虚假模态比目标识别模态强时必须将虚假模态考虑其中进行识别的缺点，并能以最小的核心矩阵实现海洋工程结构的模态识别，工程应用前景广阔，本发明技术方案如下:
[0006]一种海洋结构模态参数无虚假识别方法，包括:[0007]A、海洋结构实测信号获取；
[0008]Al、获取海洋结构在自然环境激励下的振动响应，并存储入专用存储器；
[0009]A2、从步骤Al中提取振动响应；
[0010]A3、海洋结构实测信号分离
[0011]对步骤A2中传感器实测信号进行傅里叶变换，确定窗函数及其传递函数，获得分离信号，进而获得其滤波后时域信号；
[0012]B、海洋结构实测信号光滑及重构；
[0013]C、海洋结构模态参数识别核心矩阵构造；
[0014]D、海洋结构模态参数无虚假识别。
[0015]进一步地,所述步骤B包括如下:
[0016]B1、对步骤A3中获得的滤波后时域信号组成矩阵，并进行奇异值分解；
[0017]B2、构造非Hankel矩阵并对其进行Hankel化处理；
[0018]B3、获取谱密度函数光滑后的分离信号；
[0019]B4、对海洋结构目标模态时域信号进行重构。
[0020]进一步地,所述C步骤包括如下:
[0021]Cl、重复步骤B获得所有传感器的谱密度函数光滑后的时域信号；
[0022]C2、构造模态参数识别核心矩阵。
[0023]进一步地,所述D步骤包括如下:
[0024]D1、构造状态空间向量；
[0025]D2、识别海洋结构的模态参数。
[0026]进一步地，所述步骤Al中是在海洋结构环境条件、结构特点调研的基础上，确定所需传感器的安装数量及位置，编号从I计，以选定采样频率获取海洋结构在自然环境激励下的振动响应。
[0027]与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下:
[0028]1、本发明中实测信号重构方法，在信号分离时本发明对窗口宽度无特别要求，仅需保证窗口宽度覆盖真实频率即可，工程上便于处理。所获得的谱密度曲线较传统方法更为光滑，即可大大降低因窗口带宽及频率截断而引起的误差，较传统方法能够为海洋结构模态参数识别提供更为准确的模态信息。
[0029]2、本发明在模态参数识别时，以重构信号作为参数识别时的输入数据，而重构信号仅包含结构的真实模态信息，其成分组成数量即为模态参数识别时的模型阶次，克服了传统方法确定模态阶次的难题；再者，模态参数识别时所构造的核心矩阵，其维数较传统模态参数识别方法大大降低，计算效率得到提高，尤其是识别结果不包含噪声模态，克服了传统方法在大量噪声模态中判断结构真实模态的难题，工程应用前景较好。
[0030]结合附图阅读本发明的【具体实施方式】后，本发明的其他特点和优点将变得更加清
λ.Μ
/E.ο
【专利附图】
【附图说明】
[0031]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1是本发明实施例传感器布设结构示意图；
[0033]图2是本发明实施例传感器响应信号；
[0034]图3是本发明实施例实测信号频域特征；
[0035]图4是本发明实施例重构信号的谱密度函数。
【具体实施方式】
[0036]海洋平台、海上风电、海上升压站等海洋工程结构现场测试时，其实施难度大、测试数据误差来源多，真实的响应信号往往被各类测试误差所污染。海洋平台实测时，为不影响平台的正常使用，以及避免不必要的结构损伤，所采取的平台激励力相对于结构的承载能力一般都比较小，往往更倾向于自然环境条件激励，进而导致实测信号中信噪比比较低，并且实测信号中包含的高阶模态信息也比较少。在低信噪比的条件下，实测信号中的部分真实信号往往在一定程度上被当做噪声而滤除，而相对高阶的模态信息通常又存在于这些被滤除的信号中，从而在无法得到更高阶模态的情况下会因数据处理不当又损失了部分已经测出的相对高阶的模态。故，本发明提出一种海洋结构模态参数无虚假识别方法，该方法能够分离实测信号中目标模态，并重构包含所有目标模态的信号，通过改进模态参数识别技术的核心矩阵，实现海洋工程结构低阶模态的无虚假识别。
[0037]本实施例主要包括如下步骤:
[0038]I)海洋结构实测信号获取，即步骤a)-c)；
[0039]2)海洋结构实测信号分 离、光滑及重构，即步骤d)_e)；
[0040]3)海洋结构模态参数识别核心矩阵构造，即步骤f)；
[0041]4)海洋结构模态参数无虚假识别，即步骤g)；
[0042]具体如下:
[0043]a)在海洋结构环境条件、结构特点调研的基础上，确定所需传感器的安装数量及位置，编号从I计，以选定采样频率获取海洋结构在自然环境激励下的振动响应Y，并存储入专用存储器中；
[0044]b)从步骤a)中提取振动响应，记编号为I的传感器振动响应为
[0045]y(0=yW+y-W
[0046]其中，穴〖)为真实响应，yns(t)为测试噪声。
[0047]c)海洋结构实测信号分离
[0048]①对步骤b)中传感器实测信号进行傅里叶变换
I 00sn
[0049]rM = —J v(/)^// = yy(/;^)
[0050]其中fs为指定频率(目标频率)，sn为频率成分组成数量
OC-
[0051 ] y{t) =Jf [ω)?οχ?ω
—SC.[0052]②确定窗函数及其传递函数H ( ω )，获得分离信号
[0053]Yf(Co) = Η(ω)Υ(ω)
[0054]③获得其滤波后时域信号
【权利要求】
1.一种海洋结构模态参数无虚假识别方法，其特征在于包括: A、海洋结构实测信号获取； Al、获取海洋结构在自然环境激励下的振动响应，并存储入专用存储器； A2、从步骤Al中提取振动响应； A3、海洋结构实测信号分离 对步骤A2中传感器实测信号进行傅里叶变换，确定窗函数及其传递函数，获得分离信号，进而获得其滤波后时域信号； B、海洋结构实测信号光滑及重构； C、海洋结构模态参数识别核心矩阵构造； D、海洋结构模态参数无虚假识别。
2.根据权利要求1所述的海洋结构模态参数无虚假识别方法，其特征在于，所述步骤B包括如下: B1、对步骤A3中获得的滤波后时域信号组成矩阵，并进行奇异值分解； B2、构造非Hankel矩阵并对其进行Hankel化处理； B3、获取谱密度函数光滑后的分离信号； B4、对海洋结构目标模态时域信号进行重构。
3.根据权利要求2所述的海洋结构模态参数无虚假识别方法，其特征在于，所述C步骤包括如下: Cl、重复步骤B获得所有传感器的谱密度函数光滑后的时域信号； C2、构造模态参数识别核心矩阵。
4.根据权利要求3所述的海洋结构模态参数无虚假识别方法，其特征在于，所述D步骤包括如下: Dl、构造状态空间向量； D2、识别海洋结构的模态参数。
5.根据权利要求4所述的海洋结构模态参数无虚假识别方法，其特征在于，所述步骤Al中是在海洋结构环境条件、结构特点调研的基础上，确定所需传感器的安装数量及位置，编号从I计，以选定采样频率获取海洋结构在自然环境激励下的振动响应。
【文档编号】G06F19/00GK103473468SQ201310437449
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】刘福顺, 李华军, 秦俊飞, 许立, 悦战刚, 卢洪超, 陈文文, 曹锦超, 侯法垒 申请人:中国海洋大学