一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法

本发明涉及动载荷识别领域，尤其涉及一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法。

背景技术：

1、在航空航天、桥梁建筑等工程领域，结构动载荷信息的准确获取是开展强度设计、健康监测等工作的基础与先决条件。近年来，现代工程结构正朝着大型化、复杂化、智能化的方向发展，而动载荷的形式也逐渐多样化，这促使动载荷识别技术在越来越多的领域起着重要的作用。动载荷信息主要包括两个方面，一是动载荷在结构上的作用位置，二是动载荷作用的时间历程或频域统计特征，从逻辑关系上来讲，动载荷作用位置的准确获取是动载荷时间历程或频域统计特征准确识别的基础和前提条件，因此精准地识别出结构所受动载荷的作用位置在载荷识别过程中有着重要的地位，是动力学分析问题中不可缺少的环节。

2、确定结构在实际工况下所承受的外部动载荷的难点在于：大多数动载荷在时域具有非平稳性、在频域具有宽带性、在空间上具有分布性等特性，这些因素都可能导致动载荷定位问题成为欠定的、不适定的。现有的动载荷定位方法中，例如直接求逆和正则化类方法，往往通过两步或多步循环的方法寻找动载荷位置的最优解，每次循环都需进行矩阵求逆运算，当假设的动载荷作用位置较多时，要识别出真实的动载荷作用位置就需要进行大量的矩阵求逆，这会消耗大量的计算时间，降低动载荷识别效率。而新兴的神经网络方法虽然能够识别出动载荷作用位置，然而其泛化性能受训练样本数量的限制，当样本数量不足时，识别结果的准确性会很差。

3、综上所述，现阶段对于动载荷定位方法的研究，在识别精度以及运算效率等问题上，存在算法适用范围有局限性、载荷定位精度不足以及算法计算量过大而导致定位效率低下等问题，以及求逆过程中的不适定问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中由于动力学逆模型建模困难、求解过程存在不适定因素导致动载荷定位精度差、效率低等问题，本发明提供一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法，该方法可规避动载荷定位过程中的矩阵求逆问题，实现了对动载荷作用位置的快速、准确识别，并拥有较强的抗噪性、鲁棒性。

2、本发明的技术方案是：

3、一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤1、在受载结构上选取n个测点，获取受载结构上任一测点i(i＝1,2,…,n)的频域振动响应xi(ω)和真实频响函数h(ω)，真实频响函数h(ω)包括测试点i的原点真实频响函数hii(ω)及跨点真实频响函数hji(ω)，其中j＝1,2,…,n,j≠i；

5、步骤2、根据公式计算任一测点i(i＝1,2,…,n)的虚拟载荷所述虚拟载荷为只作用在测点i上且使该点产生振动响应xi(ω)所需要的载荷；

6、步骤3、根据其余点j(j＝1,2,…,n,j≠i)的频域动响应xj(ω)和步骤2得到的虚拟载荷通过公式计算获得其余点j(j＝1,2,…,n,j≠i)的跨点拟似频响函数

7、步骤4、判断跨点真实频响函数hji(ω)与跨点拟似频响函数之间的相似性，取两者差值最小的测点i即为动载荷作用点。

8、进一步地，步骤1中任一测点i(i＝1,2,…,n)的频域振动响应xi(ω)根据测点i在未知激励下的时域动响应xi(t)经过傅里叶变换至频域中获得。

9、进一步地，所述时域动响应xi(t)为位移、速度、加速度或应变中任意一个。

10、进一步地，步骤1中任一测点i(i＝1,2,…,n)的真实频响函数h(ω)根据受载结构材料参数和几何参数通过解析计算、有限元仿真或动力学实验获得。

11、进一步地，步骤4中通过皮尔逊相关系数判断判断跨点真实频响函数hji(ω)与跨点拟似频响函数之间的相似性。

12、进一步地，步骤4具体包括：

13、步骤4.1、根据公式

14、计算受载结构上各测点真实频响函数和拟似频响函数之间的皮尔逊相关系数，建立n×n相关系数矩阵；

15、步骤4.2、为消除冗余数据的影响，剔除相关系数矩阵各行中原点真实频响函数与原点拟似频响函数之间的相关系数，将各行剩余的n-1个相关系数求平均值，得到跨点真实频响函数与跨点拟似频响函数的平均相关性结果；

16、步骤4.3、取平均相关性结果最大的测点为动载荷作用点。

17、进一步地，还包括对平均相关性结果归一化处理的步骤，具体包括：平均相关性结果中最大值不为1时，以平均相关性结果中的最大值为分母对平均相关性结果进行归一化处理，得到n个平均相关系数值，取平均相关系数值为1的测点为动载荷作用点。

18、本发明的有益效果是：

19、1、由于采用了拟似频响函数与真实频响函数之间的相似性来判断动载荷的作用位置，而在单点载荷作用下，虚拟载荷和拟似频响函数的计算都只是对应矩阵元素的运算，不涉及到矩阵的求逆运算，有效解决了现有技术中矩阵求逆运算所带来的求解误差及运算缓慢问题，从而提高了动载荷定位的运算效率和精度，实现了对动载荷作用位置的快速、准确识别。

20、2、由于采用了通过对比两跨点频响函数之间的相似性的定位方式来识别动载荷作用位置，有效解决了响应信号中噪声干扰对动载荷定位结果造成的影响，进而实现了较好的抗噪性。

21、3、由于采用了通过对比两跨点频响函数之间的相似性的定位方式来识别动载荷作用位置，所以，有效避免了结构的材料参数摄动对动载荷定位结果的影响，进而实现了较好的鲁棒性。

技术特征：

1.一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法，其特征在于，步骤1中任一测点i的频域振动响应xi(ω)根据测点i在未知激励下的时域动响应xi(t)经过傅里叶变换至频域中获得。

3.如权利要求2所述一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法，其特征在于，所述时域动响应xi(t)是位移、速度、加速度或应变中任意一个。

4.如权利要求1所述一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法，其特征在于，步骤1中任一测点i的真实频响函数h(ω)根据受载结构材料参数和几何参数通过解析计算、有限元仿真或动力学实验获得。

5.如权利要求1所述一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法，其特征在于，步骤4中通过皮尔逊相关系数判断跨点真实频响函数hji(ω)与跨点拟似频响函数之间的相似性。

6.如权利要求5所述一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法，其特征在于，步骤4具体包括：

7.如权利要求6所述一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法，其特征在于，还包括对平均相关性结果归一化处理的步骤，具体包括：平均相关性结果中最大值不为1时，以平均相关性结果中的最大值为分母对平均相关性结果进行归一化处理，得到n个平均相关系数值，取平均相关系数值为1的测点为动载荷作用点。

技术总结
本发明提出一种基于拟似频响函数的动载荷定位方法，首先在受载结构上选取多个测点，获取任一测点i(i＝1,2,…,n)的频域振动响应X<subgt;i</subgt;(ω)和真实频响函数H(ω)，真实频响函数H(ω)包括测试点i的原点真实频响函数H<subgt;ii</subgt;(ω)及跨点真实频响函数H<subgt;ji</subgt;(ω)，其中j＝1,2,…,n,j≠i；然后构建虚拟载荷所述虚拟载荷为只作用在测点i上且使该点产生振动响应X<subgt;i</subgt;(ω)所需要的动载荷，通过计算获得；再根据其余点j(j＝1,2,…,n,j≠i)的频域动响应X<subgt;j</subgt;(ω)和步骤2得到的虚拟载荷通过公式计算获得其余点j(j＝1,2,…,n,j≠i)的跨点拟似频响函数最后通过皮尔逊建立相关系矩阵判断跨点真实频响函数H<subgt;ji</subgt;(ω)与跨点拟似频响函数之间的相似性，确定动载荷作用点。本发明实现了对动载荷作用位置的快速准确识别，具有较好的抗噪性和鲁棒性。

技术研发人员：梁舒雅,杨特,杨智春
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14