文档介绍：湖南大学
博士学位论文
结构动力学系统时域辨识理论与试验研究
姓名:谢献忠
申请学位级别:博士
专业:结构工程
指导教师:易伟建
20050901
博士学位论文
摘要
结构动力学系统时域识别是当前土木工程领域的一个前沿研究课题,与高效
率高精度的信号采集和分析仪器相结合,基于动力测试的系统识别技术正逐步成
为工程结构健康检测的重要手段。由于工程结构动力响应信息的不完备性、激振
源的不确定性以及反问题的不适定性等因素的影响,传统的动力学系统识别理论
和方法很难直接应用于实际工程结构的动力检测。基于上述考虑,本文主要进行
如下几方面的研究工作:
1. 非完备输入信息下的结构时域辨识研究。将不同环境激励所具有的力学性
质作为辅助修正条件引入到结构物理参数识别的迭代过程中,构造了多种复合反
演算法。本文提出的分解算法、改进的全量补偿法比原算法具有更好的计算效率
和稳定性。在统计平均算法的基础上推广的周期统计平均算法初步解决了旋转机
械周期激振力作用下的结构参数识别及荷载反演问题。从整体分析和单元分析两
个层面,探讨了输入信息的完备性与单元物理参数的可识别性之间的关系,研究
表明,当未知激励较多且分布密集时,部分单元的物理参数是不能被识别的。
2. 非完备响应信息下的结构时域辨识研究。在充分利用有限单元法组集规律
的基础上,建立通用的子结构动力方程及其参数识别方程,并通过对子结构边界
结点(单元)、内部结点(单元)以及外部结点(单元)的合理界定,为子结构响
应信息的完备性、参数的可识别性提供清晰、直观的科学判据。同时指出,在划
分子结构时,对未知荷载的合理分布、子结构边界是否交错等问题要给予充分的
考虑。子结构方法不仅克服了测点不足、响应信息不完备的困难,而且极大的提
高了参数的识别效率。将子结构技术与复合反演算法结合,较好的解决了有限测
点条件下的结构参数辨识及荷载反演问题。
。借助于反应矩阵条件数和数值秩
的概念,对识别方程的病态及其影响因素进行理论分析和数值研究。结果表明,
结构类型、载荷位置是影响方程性态的主要因素。为了减少识别方程的病态对参
数识别结果的影响,对 Tikhonov 正则化方法在结构参数识别中的具体应用进行研
究。研究表明,将参数预估值作为正则化约束条件是一种非常好的选择。阻尼最
小二乘法并不是真正意义上的正则解,其参数识别结果仍然对测试噪声很敏感,
本文分析了阻尼最小二乘法在病态非线性参数识别问题求解中存在的缺陷,并提
出相应的解决问题的方法。
。在充分考虑线性动力系统的时域响应特性以及
小波包分析的频率空间剖分特性的基础上,提出了一种基于虚拟响应信息提取的
信号去噪新方法。虚拟响应虽然没有在结构动力检测过程中真实发生,但却是在
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某种激励下可以实现的一个响应,因此,根据虚拟响应信息同样可以进行结构系
统的动力识别。数值研究表明,对于地脉动响应这种有效信号频带与噪声频带相
互覆盖的低信噪比微弱信号而言,小波阈值去噪法已无能为力,而基于虚拟响应
信息提取的信号去噪方法则有较好的去噪效果。
。根据识别方程或目标函数的具体特性,分别
将 BFGS 算法、阻尼最小二乘算法作为局部搜索算子,嵌入到浮点编码遗传算法中,
从而得到一种高效的全局收敛的混合遗传算法或多种群混合遗传算法,这些算法
在非线性物理参数识别、小波阈值估计、最优正则解搜索等方面取得了较好的计
算效果。
。首先根据地脉动加速度响应和第一阶
固有频率识别框架模型的层刚度,然后采用 D 值法和遗传算法进一步识别层弹性
模量,弹性模量识别结果与材料试验结果的吻合证实了时域辨识理论和方法在工
程结构动力检测应用中的有效性。同时指出,地脉动响应信号中包含了很多与地
脉动激励有关的频率成分,这部分信息对于频域方法而言是一种干扰信号,而对
于时域方法却是一种识别结构参数的有效信息。
关键词:系统辨识;时域;信息不完备;复合反演;子结构法;正则化方法;信
号去噪;混凝土框架结构
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Abstract
The research on dynamic system identification in time domain is a front subject in
the field of current civil engine