基于結(jié)構(gòu)水下沖擊響應(yīng)識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)

夏茂龍 于大鵬 黎勝

摘要：在沖擊載荷作用下，基于水下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)合Hilbert-Huang變換（HHT）推導(dǎo)出沖擊作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)與模態(tài)參數(shù)的關(guān)系，并識(shí)別了水下結(jié)構(gòu)的頻率和模態(tài)阻尼比.HHT方法適合處理沖擊等非平穩(wěn)響應(yīng)，設(shè)計(jì)的帶通濾波器能自動(dòng)選取截止頻率，可以準(zhǔn)確地得到各階模態(tài)響應(yīng).且只需要結(jié)構(gòu)適當(dāng)一點(diǎn)的沖擊響應(yīng)，就可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)阻尼比.最后，以一水下矩形鋼板為例，經(jīng)數(shù)值計(jì)算在典型的爆炸沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)本方法得到了結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)阻尼比，再以水下圓柱殼結(jié)構(gòu)為例，同樣得到了結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)阻尼比，驗(yàn)證了本方法在沖擊作用下識(shí)別水下結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的可行性.

關(guān)鍵詞：水下沖擊；模態(tài)參數(shù)識(shí)別；Hilbert-Huang變換；帶通濾波

中圖分類(lèi)號(hào)：TU311.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）02-0077-08

隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)、海防事業(yè)的快速發(fā)展，主要的海洋結(jié)構(gòu)物包括海洋平臺(tái)、艦船所起的重要作用越來(lái)越大.爆炸沖擊、風(fēng)浪流冰沖擊、艦船撞擊等沖擊作用作為海洋結(jié)構(gòu)物可能遭受的最主要的破壞方式，對(duì)海洋平臺(tái)、艦船等的生命力和戰(zhàn)斗力構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因而海洋結(jié)構(gòu)物特別是艦艇的抗沖擊性能問(wèn)題具有一定的研究意義.在抗沖擊性能研究中，無(wú)論是理論模型簡(jiǎn)化、有限元仿真，還是沖擊響應(yīng)譜分析，都需要提供結(jié)構(gòu)和設(shè)備的具體動(dòng)力學(xué)模態(tài)參數(shù)作為理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐.但是，隨著艦艇等結(jié)構(gòu)趨于大型化，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法很難有足夠能量的激勵(lì)系統(tǒng)或者方法來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的總體振動(dòng)，同時(shí)輸入的激勵(lì)復(fù)雜且能量巨大，很難準(zhǔn)確地測(cè)量，因此無(wú)法得到全部的模態(tài)特征.運(yùn)行模態(tài)分析方法雖然能僅依靠環(huán)境激勵(lì)下的響應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別模態(tài)參數(shù)，但是大都只適用于白噪聲激勵(lì)假設(shè)下的模態(tài)分析，不適用于沖擊激勵(lì)作用下的模態(tài)識(shí)別.因此如何通過(guò)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別模態(tài)參數(shù)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作.

目前結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法主要分為頻域法和時(shí)域法兩大類(lèi)[1]，此外還有時(shí)頻方法及基于模擬進(jìn)化的方法.對(duì)于艦艇結(jié)構(gòu)而言，由于結(jié)構(gòu)受到的沖擊輸入激勵(lì)頻率高、強(qiáng)度大，很可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)的時(shí)變特征，需摒棄傳統(tǒng)的基于Fourier分析的方法，引入時(shí)頻分析方法[2].為了能通過(guò)水下沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)的非平穩(wěn)沖擊響應(yīng)來(lái)識(shí)別模態(tài)參數(shù)，本文引入了希爾伯特黃變換（HHT）方法[3].HHT方法是依賴數(shù)據(jù)本身的時(shí)間尺度特征進(jìn)行且自適應(yīng)的，相對(duì)于短時(shí)傅里葉變換、小波分析等方法而言完全脫離了全域波理論的限制，更適合于非線性、非平穩(wěn)數(shù)據(jù)的分析.姚熊亮等人通過(guò)HHT方法分析了艦船在爆炸載荷作用下的響應(yīng)成分和特點(diǎn)[4]，于大鵬等人通過(guò)HHT方法從本質(zhì)上分析了爆炸載荷作用下艦船自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)的機(jī)理[5].在結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別方面，Yang等人利用HHT方法識(shí)別了多自由度結(jié)構(gòu)體系的模態(tài)參數(shù)以及高層建筑風(fēng)振數(shù)據(jù)下的固有頻率和阻尼比[6-7].范興超、祁泉泉等人也利用HHT方法識(shí)別了模型固有頻率和阻尼比[8-9]，表明該方法可以有效地處理爆炸等非平穩(wěn)響應(yīng)數(shù)據(jù)，也能夠識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù).因此本文在HHT方法的基礎(chǔ)上，基于大量計(jì)算確定了帶通濾波器截止頻率選取的原則，通過(guò)處理水下結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了沖擊作用下水下結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)的識(shí)別.最后，本文以水下矩形鋼板和圓柱殼結(jié)構(gòu)為例，通過(guò)數(shù)值計(jì)算在典型的爆炸沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，利用本方法得到了結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)阻尼比，同時(shí)又選取了不同位置節(jié)點(diǎn)響應(yīng)得到了相同的結(jié)果，驗(yàn)證了本方法識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的可行性.

1水下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程

5結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)量水下沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)合HHT方法推導(dǎo)來(lái)識(shí)別水下結(jié)構(gòu)固有頻率和阻尼比.沖擊響應(yīng)一般是非線性非平穩(wěn)信號(hào)，然而結(jié)合的HHT方法，是一種自適應(yīng)的信號(hào)處理方法，能有效地處理非線性、非平穩(wěn)響應(yīng)信號(hào)，因此可以通過(guò)此方法處理抗沖擊試驗(yàn)的振動(dòng)響應(yīng).設(shè)計(jì)的帶通濾波器可以根據(jù)輸入響應(yīng)自動(dòng)地選取截止頻率，再經(jīng)EMD分解后通過(guò)相關(guān)系數(shù)計(jì)算選取相關(guān)系數(shù)最大的IMF，可以確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)并識(shí)別出結(jié)構(gòu)的頻率和模態(tài)阻尼比.而且本文所述方法只需要測(cè)量水下結(jié)構(gòu)任一適當(dāng)位置的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，就能夠得到該結(jié)構(gòu)的頻率和模態(tài)阻尼比.最后本文以水下矩形鋼板和圓柱殼結(jié)構(gòu)為例，在典型的爆炸沖擊載荷作用下選取結(jié)構(gòu)上多節(jié)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)，都可以獨(dú)立得到結(jié)構(gòu)前四階的頻率和模態(tài)阻尼比，且都保持較高的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了本方法在沖擊作用下識(shí)別水下結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的可行性.

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