基于等效激励源模型及测点优化的载荷识别方法研究及应用

发布时间：2020-06-05 13:08

【摘要】：在工程实践中,确定结构动态载荷在系统动力学优化设计、故障诊断、减振降噪和振动控制及预测等方面具有重要作用。由于结构和动载荷本身的复杂性,很多情况下不能进行直接测量,因此由结构的动响应和结构的动态特性来识别作用在结构上的动载荷是非常有必要的。目前已经发展出一系列载荷识别方法,识别精度很大程度上依赖于测试响应的信噪比以及测点布置的数量和位置。因此,本课题深入地研究了一种具有较好抗噪声性能的基于测试区域响应重建的测点优化布置及载荷识别方法,进而又研究了关于测试区域的优化选择方法以提高载荷的识别精度。此外,对于低噪声设备开发过程中碰到的激励评估问题,开展了基于等效激励源模型的载荷识别技术的创新性研究,然后将其与测点优化布置方法结合形成机械设备内源反演技术。本文通过理论建模、数值仿真与试验测试对这种新型的载荷识别技术进行了研究,主要研究内容包含以下几个方面:(1)为了降低测试噪声对载荷识别精度的影响,提出一种基于重建的测试区域分布响应进行载荷识别的方法。该方法以测量区域响应为研究出发点,将常见的通过离散点响应识别载荷的问题转变成通过整个测试区域的响应进行识别。在重建测试区域分布响应的过程中,基于局部二维正交多项式拟合技术,采用一组局部二维正交多项式基函数拟合测试区域内的连续分布响应函数,进而提出一种优化布置测点的方法。通过数值仿真分别对一个平面模型和一个曲面模型上的测点布置及载荷重建进行了研究,展示了使用重建的区域响应识别载荷方法的有效性,并着重研究了该优化测点布置方法的抗噪声性能。通过试验对作用在钢板上的两个集中力进行了识别,在激励频率处最高误差为3.6%,进一步验证了方法的有效性与可行性。(2)测试区域的选择直接影响到测点的布置,并最终影响识别精度。针对在一个较大分析区域内选择测试区域的问题,提出了一个以区域的传递函数相干因子为目标函数的优化模型。基于单频时离散测点的传递函数相干分析法,推导了区域的传递函数相干分析法并定义了区域的相干因子。当需要同时在多个频率上进行优化时,将系统的3D传递函数矩阵转换为2D形式并重新组装,可通过分析新生成的矩阵的区域相干因子建立优化模型。对一个简支梁模型进行数值仿真,分别以区域相干因子和传统的传递函数条件数作为目标函数,在相同的约束条件下对其测试区域进行优化选择。仿真结果表明相干因子同条件数一样可以反映传递函数矩阵的病态性,并且能够快捷有效地选择出最优测试区域且易于处理多频率优化问题。(3)针对机械激励源特性或激励水平评估问题,将声学领域基于等效源建模的思想引入结构载荷识别问题,建立了基于等效激励源模型的载荷识别技术,研究了以分析频带内主要影响模态数确定等效源数目和以机脚或关心位置处响应为目标确定等效源位置的方法。设计制造了一台电机的原理样机并对其进行激励试验,分析了识别出来的激励和验证测点响应的误差,在主要峰值频率处,激励误差最高为1.29 dB,测点误差最高0.26 dB,验证了基于等效激励源模型的载荷识别技术的有效性和准确性。(4)将测点优化布置方法和等效激励源模型结合形成机械设备内源反演技术,为进一步研究其在实际工程场合中的应用,以某型号模块化电机为研究对象,进行了电机内源识别试验研究。通过建立等效源与真实源以及等效源与验证测点的关系得到真实激励力和验证测点响应的估计值,将其与测点的实际测量结果比较,结果表明主要峰值频率处的识别误差均满足精度要求,验证了上述方法的可行性和有效性,为其工程应用打下基础。
【图文】：

示意图,载荷识别,示意图

研究背景与意义工程实践中，确定结构动态载荷在系统动力学优化设计、故障诊断、减振制及预测等方面具有重要作用。如果能够准确获得载荷信息，可以通过，确保机器设备的稳定安全运行。前确定动载荷的方法主要有两种：直接法和间接法[1]。直接法主要是通置传感器直接测量载荷的值或者测量与其相关的参数换算得到载荷数值程问题中，直接在结构上载荷作用位置处布置传感器进行测量通常比较实现，如：汽车行驶时的路面激振力、电机运行时的不平衡力和电磁力某些结构上布置传感器还会造成结构固有特性的较大改变。鉴于直接法碰到的问题，间接法（即载荷识别技术）得到了快速发展。它通过测量应（包括位移、速度、加速度、应变等）和系统的特性参数来识别作用载荷，载荷识别的示意图如图 1-1 所示[2]，其属于动力学逆问题中的第3]。动载荷识别技术的研究内容主要包括两个方面，，系统建模方法和识别同类型的动载荷，研究出其工程适用的建模方法和识别方法已成为目前一项热点。

示意图,受载,示意图

如果将所有的自由度都认为是候选测点位置，计算效率数研究在响应测试上的抗噪声性能都不令人满意。测量中适定性会导致计算不稳定。即使应用正则化方法处理病态的增加依然是难以接受的[79]。问题，本章提出一种通过重建结构测试区域内分布响应优法，并在这一基础上对载荷识别技术作了进一步的研究。了函数展开法。接着基于局部二维正交多项式拟合技术，式基函数拟合矩形区域内分布响应进而得到测点的优化布区域与目标矩形区域坐标之间的映射关系，将该技术扩展域。最后建立了载荷到区域分布响应的正模型并应用伪逆假设一个外部载荷 ( )作用在任意一个结构上，如图定义的是结构上的点集合，表示频率。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM30

【参考文献】