海洋平台结构动力特性参数识别的理论与实验研究
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。对于海洋平台这样的大型工程结构,其安全性和耐久性是极其重要的,为保障其安全服役,避免重大恶性事故的发生,必须对服役期内的海洋平台进行定期/不定期的检测和安全评估。海洋平台的动力特性参数与平台的服役状态息息相关,因此,掌握海洋平台在各个阶段的动力特性参数尤为重要。
海洋平台的动力特性与其质量、刚度的分布相关,而质量、刚度的分布影响其结构的频率、阻尼及振型,因此,发展一套基于现场实测数据的适用于海洋平台等大型土木结构物的模态参数精确识别方法很必要。由于实测信号中不可避免的包含大量噪声,且模型阶数的未知性,基于实测响应信号识别的模态参数必然存在着较大的误差,此误差必然影响到海洋结构物的安全评估。因此,发展有效的信噪分离技术显得非常必要。
本文应用复指数法和特征系统实现算法,主要对海洋导管架平台的动力特性参数进行了研究,改进了现有的模态参数识别技术,为进一步的结构健康检测及安全评估提供了理论基础和技术支持。主要内容和研究成果如下:
1.傅里叶分析是目前信号处理中应用最普遍的一种方法。本文比较了复指数法与傅里叶变换的优缺点。采用了Hankkel矩阵秩估计法和Cadzow理论消噪法来弥补复指数法模态识别过程中的缺点。提出了复指数法是比傅里叶分析更好的一种信号处理方法。并利用复指数法对存在“拍”现象的信号进行了参数识别,为存在“拍”现象信号的模态参数识别提供了理论基础和技术支持;
2.海洋平台的实测数据非常复杂。通过对渤海某海洋平台现场实测的自由振动加速度信号进行模态识别研究,从理论上阐述了信号的参与模态与结构的初始变形和传感器布设方向之间的关系,并研究了信号不同时间段与参与模态数的关系,为海洋平台等大型结构实际动力测试的测试方案及传感器的优化布置提供了理论依据;
3.深入分析了传统的特征系统实现算法,指出其处理实测数据时,将实测数据分解为结构真实信号和噪声信号,从而将噪声消除的特点。针对这一特点,本文提出分块Hankel矩阵的维数对信噪分离过程影响很大,阐明了当分块Hankel矩阵的分块行与分块列数接近时,真实和噪声信号可以最好的分离。分别利用数值算例和模型试验对该方法的有效性进行了检验;
4.判断识别模态是否为结构的真实模态为结构模态识别领域的重要问题。本文提出了一种验证识别模态参数是否为结构真实模态的检验方法。此方法通过在实测信号中添加噪声,产生噪声一噪声信号,并将实测信号和噪声-噪声信号识别的结果进行比较,来判断识别模态的真实性。利用二维平板和海洋导管架模型试验的研究验证了该方法的可行性。
海洋平台结构;模态参数识别;复指数法;奇异值分解法;结构低秩逼近;动力特性
中国海洋大学
博士
港口、海岸及近海工程
李华军;Sau-Lon James Hu
2011
中文
P742
184
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）