海洋结构模态参数无虚假识别方法
阅读：502发布：2022-08-14
专利汇可以提供海洋结构模态参数无虚假识别方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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。，下面是海洋结构模态参数无虚假识别方法专利的具体信息内容。
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；
A1、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A1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：
C1、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：
D1、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A1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1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。
海洋结构模态参数无虚假识别方法
技术领域
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] A1、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A1中提取振动响应；
[0010] A3、海洋结构实测信号分离
[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] C1、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。
[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楚。
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] 1）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1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1的传感器振动响应为 [0045]
[0046] 其中， 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
[0049]
[0051]
[0052] ②确定窗函数及其传递函数H(ω)，获得分离信号
[0053] Yf(ω)＝H(ω)Y(ω)
[0054] ③获得其滤波后时域信号
[0055]
[0056] 传统方法当窗口宽度较宽时，往往会导致分离信号的谱密曲线产生不希望的尖峰，为尽量减少这些尖峰，传统方法将严格限定窗口宽度，这一点在结构的真实频率不知道的情况下变得比较困难。本步骤的优势在于，对于海洋工程结构而言，其真实各阶频率很难预知，但可根据有限元模型估算海洋结构频率范围，从而大致确定窗函数的窗口宽度，尤其是在信号分离时本发明对窗口宽度、截断频率值选取无特别要求，仅需保证窗口宽度覆盖真实频率即可，使得工程上便于处理。
[0057] d）海洋结构实测信号谱密度曲线光滑处理
[0058] ①将步骤c）中获得的滤波后时域信号组成如下矩阵
[0059]
[0060] ②将上述矩阵进行奇异值分解
[0061]
[0062] ③将计算所得奇异值按照由大到小的顺利依次排列，确定模态阶次r，即 [0063] σ1＞σ2＞…＞σr≥0
[0064] ④步骤②中公式做如下处理
[0065]
[0066] ⑤构造非Hankel矩阵
[0067]
[0069] ⑦获取谱密度函数光滑后的分离信号
[0070]
[0071] 本步骤通过构造非Hankel矩阵，即步骤⑤，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。同时，只要确保窗口宽度覆盖真实频率，即便在真实模态较噪声模态相对较弱时依然可以实现该弱模态的分离，将每一个分离并进行光滑后处理的信号进行重构，即可得到一个仅包含分离信号成分的复合信号，也就意味着接下来的重构信号可以不包含噪声模态，与传统方法有本质区别。
[0072] e）海洋结构目标模态时域信号重构
[0073]
[0074] f）海洋结构模态参数识别核心矩阵构造
[0075] ①重复步骤b）-e），可以获得所有传感器的谱密度函数光滑后的时域信号； [0076] ②构造模态参数识别核心矩阵
[0077]
[0078] g）海洋结构模态参数无虚假识别
[0079] ①获得H(0)
[0080]
[0081] ②构造状态空间向量
[0082]
[0083]
[0084]
[0085] ③识别海洋结构的模态参数
[0086] Λc＝ln(Λ)/Δt.
[0087] 本发明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，所获得的谱密度曲线较传统方法更为光滑，更便于工程操作。 [0088] 本发明在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。
[0089] 下面以具体实例介绍本发明的实验过程：
[0090] （1）海洋平台冰激激励下低阶模态无虚假识别
[0091] 选取生活平台，地理位置：E121°21′06.43″N40°30′01.300″，水深15.5m，投产时间1992年8月，生产年限20年，结构设计寿命20年。与其相连的有两座平台，分别是JZ20-2-1（南井口平台SW）和JZ20-2-1（中北平台MNW），三座平台均为四腿导管架平台。平台下部为四腿导管架，上部结构有底层甲板、下层甲板、主甲板、顶甲板。顶层甲板上设有一幢三层住房，住房 顶部为直升飞机停机坪。
[0092] （2）传统传感器位置优化方案
[0093] 本次测试时，测点布置在导管架平台带栏走道附近的四个和底层甲板附近的四个主桩腿节点上，总计8个测点位置，如图1中所示。选取其中任一传感器实测信号进行分析，如图2所示。
[0094] （3）低阶模态无虚假识别
[0095] 实测信号频域特征如图3所示。该图表明结构环境噪声非常明显，并且部分噪声模态要显著于结构真实模态。执行步骤b）-e），获得重构信号的谱密度函数如图4所示，结果证实本发明在谱密度函数曲线上较传统方法更为光滑。执行步骤f），识别的结构频率值为0.84127、1.212Hz，阻尼比分别为0.012473、0.011399，与传统识别结果对比见表1。 [0096] 表1为本发明与传统方法识别结果对比表
[0097]
[0098] 结果表明，传统方法需在核心矩阵维数达到1000×1000时才可达到类似的识别结果，并且第二个阻尼系数为负值，不符合物理意义。而本发明在维数为4×4时即可获得较传统方法更好的识别结果，并且第二个阻尼系数具有物理意义，显示了本发明的优势。 [0099] 总之，上述实验充分证明本发明在结构模态参数识别时，可以提供更为光滑的谱密度曲线，并且识别过程效率更高，且无需从繁杂的噪声模态中判断结构的真实模态，识别结果更为准确，更适用于海洋结构在自然环境激励下的模态参数识别问题。 [0100] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的 限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种风向空间关联驱动的铁路沿线风速预测方法 | 2020-09-12 | 1 |
| 一种铣削加工刀具破损监测方法 | 2021-10-18 | 2 |
| 电网电压不平衡情况下PWM变换器恒频直接功率控制方法 | 2023-03-19 | 1 |
| 一种基于FPGA和减法电路的正弦信号相位差测量方法 | 2020-06-18 | 2 |
| 用于补偿用作采样频率的本地时钟的漂移的装置和方法 | 2023-05-29 | 2 |
| 风险交易识别方法、装置、服务器及存储介质 | 2020-06-24 | 1 |
| 一种机动车测速装置 | 2022-03-15 | 1 |
| Rotary electric machine controller | 2022-09-05 | 2 |
| RADIO FREQUENCY ANTENNA DEVICE FOR GENERATING A DIGITAL MAGNETIC RESONANCE INFORMATION SIGNAL | 2021-10-12 | 2 |
| 一种基于声音传输的动态令牌的工作方法 | 2022-07-24 | 0 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈