海洋平台传感器位置分阶次优化试验研究.pdf

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1、第43卷第6期2013年6月中国海洋大学学报PERl0DICALOFoCEANUNIVERSITYOFCHINA43(6)：103～108Jun．，2013海洋平台传感器位置分阶次优化试验研究。王超1，刘福顺r，李炜2(1．中国海洋大学工程学院，山东青岛266100；2．中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014)摘要：在环境激励条件下进行海洋平台振动测试时，平台结构的高阶模态信息往往因激励力相对较小而导致无法获得，并且实际环境条件中，传感器安装位置受到很大限制，尤其在水下部位安装传感器，困难大、成本高。因此针对不同结构模态阶次为目标的传感器位置优化尤为重要。本文

2、提出一种海洋平台传感器位置分阶次优化方法，并应用有效独立法，对传感器的分阶布置进行试验研究。首先以五自由度质量弹簧模型为例验证了方法的正确性；然后借助锦州20一2MUQ海洋平台的物理模型，对大型复杂结构进行了传感器分阶布置试验研究。数值与试验结果均表明，针对海洋平台的低阶模态进行传感器分阶次优化布置，不仅能够相对准确的识别出结构模态信息，更能够在有限数量的传感器条件下根据优化目标的不同获得不同的优化方案，具有一定的工程应用前景。关键词：优化配置；分阶次；有效独立法；参数识别；海洋平台中图法分类号：TU317；0329文献标志码：A文章编号：1672—5174(2013)06—1

3、03—06各类结构的参数识别、损伤诊断、模型修正、状态评估的数据是通过布置在结构上的传感器得到的，传感器的布置必须设计合理、高效、可靠[1]。模型修正和损伤诊断二者都需要一个准确的结构模态振型，因此，准确的识别结构模态参数具有十分重要的意义。然而不适当的传感器配置位置将不能准确全面地获得结构振动的信息，影响识别参数的精度，而且传感器本身及配套设备都需要一定的成本，考虑到经济性和适用性，在实际测量时要求用有限的传感器数量收集到准确、全面的数据信息。因此为了准确的识别结构的模态参数，选取最佳的传感器数目，并将其布置在最优位置具有重要的实用价值。D．S．Li等[2。3]提出，为了准确

4、识别出系统的模态参数，传感器布置的数量不得少于所要识别模态的阶次，并建立飞机数值模型进行了验证。如果要得到模态的振型值，传感器的布置数量通常情况下要多于最少的布置数量[4]。目前，基于模态分析的传感器优化方法在结构状态监控、响应预测和系统识别中有着广泛的研究。Lim[5]和Liu[6]主要是以模态信息的Fisher信息阵的某种范数、行列式或者迹的值最大作为优化准则进行优选测点。KammerE7]提出了有效独立法，建立了一种包含振型信息的Fisher信息矩阵，采用迭代，计算有效独立分布状态向量并排序，删除贡献最小的自由度，从而优化Fisher信息阵而使感兴趣的模态向量尽可能保持线

5、性无关。Heo等[8]提出以运动能矩阵最大为优+基金项目：国家自然科学基金项目(51009124；51010009；51079134)资助收稿日期：2012—03—10；修订日期：2012—06—20作者简介：王超(1986一)，男，硕士生。E-mail：wangcha086@aliyun．corn÷通讯作者：E-mail：percyliu@OUC．edu．cn化目标，并选取大跨度桥梁结构的前六阶模态信息进行优化，得到一组传感器测点。BreitfeldE9]提出使MAC矩阵的非对角线元素值最小来配置传感器。何浩祥等E10]提出一种选用Frobenius范数求最大化Fisher信

6、息矩阵的方法，阐述了求最大化Fisher信息矩阵等价于选取具有最大能量的节点模态向量子集的结论。孙小猛等[11]针对网壳结构健康监测提出了一种以损伤可识别性与模态可观测性相协调为目标的传感器优化布置的方法。分析以上研究可知，虽然以模态分析为目的的传感器优化已做了不少工作，但针对较复杂、自由度众多的海洋平台结构进行的较少。一般来说，为了能准确的识别出所感兴趣的结构模态参数信息，传感器的安装都是按照经验布置，而且尽可能多的加大传感器数量来提高识别的准确性。传统的模态参数识别过程是一次性大数量的经验布置传感器，然后将采集到的信号进行分析，得到全部感兴趣阶次的模态信息，这种办法只适用于

7、实验室中的物理模型试验。在实际的工程示范中，由于各种因素的影响，布置大数量的传感器是不现实的，而且所感兴趣的模态阶次不同，传感器的安装位置也不相同。针对上述问题，本文提出1种传感器位置分阶次优化方法，对于所关心的结构不同阶次模态信息，能够更合理的布置传感器，因此这种方法更具有针对性。本文主要针对结构的不同模态阶次，研究如何确定合适的传感器数量和安装位置，使用有效独立法对传感104中国海洋大学学报器的安装位置进行研究，准确的识别结构频率和振型，然后分别对五自由度弹簧质量模型和海洋平台模型进行验