海洋平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴,與陸地結(jié)構(gòu)相比,其服役環(huán)境更加惡劣。它不僅承受風(fēng)、海浪、海流、海冰和潮汐等環(huán)境荷載的長期作用,也受到地震災(zāi)害的威脅。并且,環(huán)境腐蝕、海生物附著、海底沖刷、地基土軟化和疲勞損傷等因素都將影響海洋平臺的安全服役,降低海洋平臺的使用壽命。對于海洋平臺這樣的大型工程結(jié)構(gòu),其安全性和耐久性是極其重要的,為保障其安全服役,避免重大惡性事故的發(fā)生,必須對服役期內(nèi)的海洋平臺進(jìn)行定期/不定期的檢測和安全評估。海洋平臺的動(dòng)力特性參數(shù)與平臺的服役狀態(tài)息息相關(guān),因此,掌握海洋平臺在各個(gè)階段的動(dòng)力特性參數(shù)尤為重要。 海洋平臺的動(dòng)力特性與其質(zhì)量、剛度的分布相關(guān),而質(zhì)量、剛度的分布影響其結(jié)構(gòu)的頻率、阻尼及振型,因此,發(fā)展一套基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的適用于海洋平臺等大型土木結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)精確識別方法很必要。由于實(shí)測信號中不可避免的包含大量噪聲,且模型階數(shù)的未知性,基于實(shí)測響應(yīng)信號識別的模態(tài)參數(shù)必然存在著較大的誤差,此誤差必然影響到海洋結(jié)構(gòu)物的安全評估。因此,發(fā)展有效的信噪分離技術(shù)顯得非常必要。 本文應(yīng)用復(fù)指數(shù)法和特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法,主要對海洋導(dǎo)管架平臺的動(dòng)力特性參數(shù)進(jìn)行了研究,改進(jìn)了現(xiàn)有的模態(tài)參數(shù)識別技術(shù),為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)健康檢測及安全評估提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。主要內(nèi)容和研究成果如下: 1.傅里葉分析是目前信號處理中應(yīng)用最普遍的一種方法。本文比較了復(fù)指數(shù)法與傅里葉變換的優(yōu)缺點(diǎn)。采用了Hankel矩陣秩估計(jì)法和Cadzow理論消噪法來彌補(bǔ)復(fù)指數(shù)法模態(tài)識別過程中的缺點(diǎn)。提出了復(fù)指數(shù)法是比傅里葉分析更好的一種信號處理方法。并利用復(fù)指數(shù)法對存在“拍”現(xiàn)象的信號進(jìn)行了參數(shù)識別,為存在“拍”現(xiàn)象信號的模態(tài)參數(shù)識別提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持; 2.海洋平臺的實(shí)測數(shù)據(jù)非常復(fù)雜。通過對渤海某海洋平臺現(xiàn)場實(shí)測的自由振動(dòng)加速度信號進(jìn)行模態(tài)識別研究,從理論上闡述了信號的參與模態(tài)與結(jié)構(gòu)的初始變形和傳感器布設(shè)方向之間的關(guān)系,并研究了信號不同時(shí)間段與參與模態(tài)數(shù)的關(guān)系,為海洋平臺等大型結(jié)構(gòu)實(shí)際動(dòng)力測試的測試方案及傳感器的優(yōu)化布置提供了理論依據(jù); 3.深入分析了傳統(tǒng)的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法,指出其處理實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí),將實(shí)測數(shù)據(jù)分解為結(jié)構(gòu)真實(shí)信號和噪聲信號,從而將噪聲消除的特點(diǎn)。針對這一特點(diǎn),本文提出分塊Hankel矩陣的維數(shù)對信噪分離過程影響很大,闡明了當(dāng)分塊Hankel矩陣的分塊行與分塊列數(shù)接近時(shí),真實(shí)和噪聲信號可以最好的分離。分別利用數(shù)值算例和模型試驗(yàn)對該方法的有效性進(jìn)行了檢驗(yàn); 4.判斷識別模態(tài)是否為結(jié)構(gòu)的真實(shí)模態(tài)為結(jié)構(gòu)模態(tài)識別領(lǐng)域的重要問題。本文提出了一種驗(yàn)證識別模態(tài)參數(shù)是否為結(jié)構(gòu)真實(shí)模態(tài)的檢驗(yàn)方法。此方法通過在實(shí)測信號中添加噪聲,產(chǎn)生噪聲–噪聲信號,并將實(shí)測信號和噪聲–噪聲信號識別的結(jié)果進(jìn)行比較,來判斷識別模態(tài)的真實(shí)性。利用二維平板和海洋導(dǎo)管架模型試驗(yàn)的研究驗(yàn)證了該方法的可行性。
【學(xué)位單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：P75
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 大型土木工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別
        1.2.2 模型定階技術(shù)
        1.2.3 信噪分離技術(shù)
        1.2.4 海洋結(jié)構(gòu)物動(dòng)力特性的理論與試驗(yàn)研究
        1.2.5 亟待進(jìn)一步解決的問題
    1.3 本文的研究內(nèi)容
        1.3.1 課題來源
        1.3.2 研究內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第二章 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)與背景知識
    2.1 引言
    2.2 單自由度系統(tǒng)
        2.2.1 特征值問題
        2.2.2 比例阻尼
    2.3 多自由度系統(tǒng)
        2.3.1 特征值問題
        2.3.2 比例阻尼
    2.4 結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型
        2.4.1 連續(xù)時(shí)間狀態(tài)空間模型
        2.4.2 離散時(shí)間狀態(tài)空間模型
        2.4.3 隨機(jī)狀態(tài)空間模型
        2.4.4 ARMA 模型
    2.5 振動(dòng)試驗(yàn)常用激勵(lì)方式
        2.5.1 沖擊激勵(lì)
        2.5.2 張拉法
        2.5.3 環(huán)境激勵(lì)
    2.6 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第三章 信號處理
    3.1 引言
    3.2 傅里葉分析
        3.2.1 傅里葉變換
        3.2.2 離散傅里葉變換
        3.2.3 頻譜混疊
        3.2.4 譜泄漏現(xiàn)象
        3.2.5 窗函數(shù)
    3.3 復(fù)指數(shù)法
        3.3.1 脈沖響應(yīng)函數(shù)
        3.3.2 離散的脈沖響應(yīng)函數(shù)
        3.3.3 Prony法
        3.3.4 模型定階
        3.3.5 信號消噪
        3.3.6 基于模型定階和信號降噪的復(fù)指數(shù)法
    3.4 傅里葉變換與復(fù)指數(shù)法比較
    3.5 例題:質(zhì)量–彈簧–阻尼系統(tǒng)
        3.5.1 有限元數(shù)值模型
        3.5.2 數(shù)值模型定階
        3.5.3 數(shù)值模型信號降噪結(jié)果分析
    3.6 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第四章 時(shí)域模態(tài)參數(shù)識別方法
    4.1 引言
    4.2 特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法（ERA法）
        4.2.1 系統(tǒng)的狀態(tài)方程描述
        4.2.2 特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法（ERA法）
        4.2.3 區(qū)分真實(shí)模態(tài)和噪聲模態(tài)的傳統(tǒng)方法
        4.2.4 模型定階和噪聲消除
        4.2.5 ERA方法的計(jì)算步驟
    4.3 Ibrahim 時(shí)域法（ITD）
        4.3.1 ITD法理論推導(dǎo)
        4.3.2 隨機(jī)減量法
    4.4 ARMA方法
        4.4.1 ARMA方法的定義和假定
        4.4.2 標(biāo)量型ARMA法模態(tài)識別
    4.5 目前海洋工程領(lǐng)域常用的頻率和阻尼比估算方法
        4.5.1 頻率估算法
        4.5.2 阻尼比估算法
    4.6 質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)實(shí)例
        4.6.1 數(shù)值模型定階結(jié)果與分析
        4.6.2 數(shù)值模型信號識別結(jié)果與分析
    4.7 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第五章 基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的海洋平臺模態(tài)參數(shù)識別
    5.1 引言
    5.2 海洋平臺激勵(lì)方式的選擇
    5.3 基于海上導(dǎo)管架平臺有限元模型的模態(tài)參數(shù)識別
        5.3.1 有限元模型描述
        5.3.2 基于對平臺一條腿激勵(lì)下測得信號的參數(shù)識別
        5.3.3 基于對平臺兩條腿激勵(lì)下測得信號的參數(shù)識別
    5.4 基于海上導(dǎo)管架平臺噪聲信號的模態(tài)參數(shù)識別
        5.4.1 模擬噪聲信號的模態(tài)參數(shù)識別
        5.4.2 海洋平臺現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的模態(tài)參數(shù)識別
    5.5 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第六章 特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法（ERA法）進(jìn)行模態(tài)識別
    6.1 引言
    6.2 二維平板實(shí)例
        6.2.1 二維懸掛板模型概述
        6.2.2 模型階數(shù)確定
        6.2.3 模態(tài)參數(shù)識別
    6.3 海洋導(dǎo)管架平臺模型實(shí)例
        6.3.1 目標(biāo)平臺介紹
        6.3.2 海洋導(dǎo)管架平臺物理模型概述
        6.3.3 基于導(dǎo)管架平臺自由振動(dòng)響應(yīng)的模態(tài)識別
    6.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第七章 當(dāng)信號存在“拍”現(xiàn)象時(shí)的模態(tài)識別
    7.1 引言
    7.2 “拍”現(xiàn)象信號
    7.3 無阻尼下的“拍”現(xiàn)象信號
        7.3.1 存在截?cái)嗾`差“拍”現(xiàn)象信號的參數(shù)識別
        7.3.2 含5%噪聲信號的模態(tài)識別
        7.3.3 含20%噪聲信號的模態(tài)識別
    7.4 欠阻尼下的“拍”現(xiàn)象信號
        7.4.1 存在截?cái)嗾`差的“拍”現(xiàn)象信號
        7.4.2 含5%噪聲信號的模態(tài)識別
        7.4.3 含20%噪聲信號的模態(tài)識別
    7.5 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第八章 結(jié)論與展望
    8.1 本文總結(jié)
    8.2 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
    8.3 未來研究課題的展望
表一覽
圖一覽
發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
個(gè)人簡歷
致謝

【引證文獻(xiàn)】

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2 肖振宇;電力系統(tǒng)低頻振蕩類型區(qū)分[D];三峽大學(xué);2013年

本文編號：2854879