线弹性系统动态载荷位置识别与其实验技术-研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文注释表M系统质量矩阵Mr第r阶模态质量矩阵K系统刚度矩阵Kr第r阶模态刚度矩阵C系统阻尼矩阵Cr第r阶模态阻尼矩阵X(t)系统位移向量Wx()第r阶振型函数rX"(t)系统速度向量Q(ω)频域模态坐标向量X""(t)系统加速度向量H(ω)频响函数X(ω)响应谱向量ω第r阶模态频率rF(ω)载荷谱向量P(t)第r阶模态力rζ阻尼比Φ多自由度系统振型矩阵c材料的阻尼系数Ti(x)变量x的第i阶正交多项式ρ单位体积材料密度a一维正交多项式第i阶系数iriA材料横截面面积f、f载荷f的实

2、部、虚部+E杨氏模量V矩阵V的广义逆μ泊松比∇2拉普拉斯算子I惯性矩D薄板抗弯刚度VII承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：

3、南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1概述结构动力学是在固体力学和振动理论的基础上建立起来的一门研究结构系统动力学特性的工程性学科，在科学和工程领域具有广泛而重要的应用。航空、航天、船舶、机械、建筑、桥梁等工程结构的技术性日益现代化和复杂化发展趋势，对结构动力学问题研究也提出了更高的要求。从系统论的角度来看，结构动力学问题包含了动载荷（输入）、结构系统（模型）和动响应[1]（输出）三个方面。动载荷是各种激励对结构系统所施加的作用（力、力矩，或者位移、速度以及加速度等），是结构发生振动的外部因素。结构系

4、统包括结构的固有频率、固有振型、阻尼、质量和刚度特性等；动响应是激励与结构传递特性相互作用的结果，包括结构的位移、速度、加速度和应变响应等。动载荷、结构系统和动响应三者构成一个封闭的系统，若已知其中两个参量，另一个就可以唯一确定。因此，从输入、输出和系统特性三者的关系来看，结构振动问题可以归纳为三类：第一类是已知系统模型和外部动载荷，求系统响应，通常称之为振动响应计算或结构动力学正问题。这也是结构动力学研究中最为成熟的问题，已形成了系统的理论体系。第二类是已知系统的输入和输出，求系统特性，称之为系统识别或参

5、数识别，又称为第一类逆问题。表达系统特性的方式是多种多样的，例如系统的质量、刚度和阻尼，系统的频响函数、脉冲函数等都可以反映系统特性。这类问题的关键是如何从实测数据中精确地估计出所需要的描述系统特性的参数。如果需要的是频率、阻尼和阵型等参数，则称为模态参数识别。如果需要系统在物理坐标下的质量、刚度和阻尼，则称为物理参数识别。根据输入和输出设计系统特性，乃至系统的质量、刚度及其分布，则称为系统动态设计。第三类是已知系统特性和动响应，求外部动载荷，称为动载荷识别，又称为第二类逆问题。确定系统在实际工况下的振源及

6、其数学描述是振动过程中最棘手的问题，一般需要具体问题具体处理，目前该理论体系还不够完善。通常情况下，确定结构外载荷的方法有直接法和间接法两种。直接法就是直接通过传感设备测量载荷本身或与载荷有关的参数来求得载荷的数学表示形式。例如，大坝的水压力或汽缸中的高压气体产生的动压力，可以通过压力计测量得到。但事实上，工程实际结构诸如火箭、飞机、船舶以及海洋平台等，很难直接对它们所受的外部载荷直接进行定性和定量地测量，而且，直接测量还受到测量点所处空间位置、采样率、采样时间等的客观限制。于是，一种间接“测量”外载荷的动

7、载荷识别技术便逐渐发展起来。动态载荷识别技术主要是根据测量结构系统在外载荷作用下的动响应（位移、速度、加速1线弹性系统动态载荷位置识别及其实验技术研究度和动应变等），结合系统特性，构造一个反求外载荷的计算模型，该理论可用图1.1所示的模型表示：响应wxyzt(,,,)载荷Fxyzt(,,,)结构系统图1.1载荷识别流程图已知待识别一个完整的载荷信息应包含载荷数量、作用位置和载荷幅值（或时间历程）三个部分。对于大多数载荷作用位置已知的动载荷识别问题，如何简单、精确地描述动载荷是研究的重点，而对于载荷数量和作用

8、位置均未知的动载荷识别问题，首要问题就是如何确定载荷数量，其次是载荷作用位置的确定，最后是精确识别动载荷的幅值大小或时间历程。本文着重研究一种动态载荷位置识别的技术，称之为“载荷定位技术”。“定位”一词的含义就是确定某一事物在特定环境中的位置。在工程领域，各种定位技术可谓屡见不鲜，如卫星、导弹、飞机导航定位技术。事实上，从原始的狼烟篝火军情定位，到指南针、太阳针的方向精确定位，再到如今的GPS、北斗导航精确定位以