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1、振动与冲击第21卷第3期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVol.21No.32002基于环境激励的模态参数辨识方法综述121续秀忠华宏星陈兆能(1.上海交通大学机械工程学院;2.上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室,上海200030)摘要本文首先对环境激励下模态识别方法进行了综述,对目前的几种识别方法的原理、识别精度及适用条件进行了论述,并比较了这些方法各自的特点,参照国内外最新文献,提出环境激励下模态参数识别方法需解决的关键问题及研究发展方向。关键词:环境激励,模态识别,平稳随机激励,非平稳随机激励中图分类号:TH11
2、3.10引言模态参数测试。总之,基于环境激励下响应的结构模态参数识别方法,正在受到工程界的重视。传统的模态识别方法是基于实验室条件下的频对于环境激励下结构工作模态的研究早在60年率响应函数进行的参数识别方法,它要求同时测得结代就已开始,经过几十年的研究,特别是近几年来,人构上的激励和响应信号。但是,在许多工程实际应用们已经提出了多种环境激励下模态参数识别的方法。中,工作条件和实验室条件相差很大,对一些大型结大致分类如下:按识别信号域分为:时域识别方法、频构无法施加激励或施加激励费用很昂贵,因此要求识域识别方法、和联合时频域识别方法;按激励信号分别结构在工作条件下的
3、模态参数。工作模态参数识为:平稳随机激励和非平稳随机激励(有的方法假设别方法与传统模态参数识别方法相比有如下特点:环境激励为白噪声激励);按信号的测取方法分为:单一、仅根据结构在环境激励下的响应数据来识别结构输入多输出和多输入多输出;按识别方法特性分为:的模态参数,无需对结构施加激励,激励是未知的,如时间序列法、随机减量法、NExT、随机子空间法、模态无需对大桥、海洋结构、高层建筑等大型结构进行激函数分解法、峰值拾取法、频域分解法及联合时频方励,仅需直接测取结构在风力、交通等环境激励下的法。响应数据就可以识别出结构的模态参数。该方法识本文根据国内外最新文献,论述了环境
4、激励下结别的模态参数符合实际工况及边界条件,能真实地反构工作模态参数识别方法,对各种方法原理、特点进映结构在工作状态下的动力学特性,如高速旋转的设行了比较。针对目前一些方法的局限性,提出了环境备在高速旋转的工况和静态时结构的模态参数有很激励下模态参数识别方法急待解决的关键问题及研大差别。二、该种识别方法不施加人工激励完全靠环究方向。下面按照时域、频域和时频域识别方法的顺境激励,节省了人工和设备费用,也避免了对结构可序对目前研究出的几种方法进行论述。能产生的损伤问题。三、利用环境激励的实时响应数1基于环境激励下响应的结构模态参数识别据识别结构参数,能够识别由于环境激励
5、引起的模态的时域方法参数变化。尽管传统的模态参数方法已在许多领域得到了广泛应用,但近年来,环境激励下模态参数识1.1时间序列法别方法得到了航天、航空、汽车及建筑领域的研究人时间序列法是一种利用参数模型对有序的随机员的极大关注,如美国SADIA国家实验室的JAMES和采样数据进行处理,从而进行模态参数识别的方法,CARNE在1995年提出NExT方法,并将该方法用于高具体模型包括:AR自回归模型、MA滑动均值模型和速汽轮机叶片在工作状态下固有频率和阻尼比的识[1]ARMA自回归滑动均值模型。1969年AkaikeH首别。欧共体1997年批准的EUPOKH项目的主要研究
6、次利用自回归移动均值模型进行了白噪声激励下的内容是环境激励下(如大桥在风力与交通激励)大桥模态参数识别。结构的工作模态参数的识别。1997年丹麦对对于自由度为n的线性系统建立时间序列模型VESTVEJ大桥进行了环境激励下的模态参数识别和ARMA(p,q):收稿日期:2001-11-21修改稿收到日期:2001-12-14第一作者续秀忠男,博士生,高级工程师,1965年10月生2振动与冲击2002年第21卷pqN1Xt-iXt-i=at-jat-j
7、(1)P()=NX(tk+)(5)i=1j=1k=1上式表示响应数据序列Xt与历史值Xt-i的关系,当N或N非常大时,可以认为P()等于(4)式p为自回归模型的阶次;q为滑动均值模型的阶次,i、的第一项,即系统自由响应信号。对不同的延时,j分别表示待识别的自回归系数和滑动均值系数,atP()有不同的值。影响数据平均精度和数据平均计表示白噪声激励。算量的主要因素是采样触发条件,常用的方法有恒值为了方便起见,引入一个时移算子,令Dj,Xt=采样触发如取均值的0.5、0.75或1倍为采样触发值,Xt-j,则上式可写为:也可采用延时采样触
