PDF《动载荷的识别方法》

力学进展,

2015 年, 第45 卷:201502 动载荷的识别方法 杨智春 ? 贾有西北工业大学航空学院结构动力学与控制研究所, 西安

710072 摘要大多数情况下, 作用在工程结构上的动载荷, 如高性能战斗机在大攻 角机动飞行时作用在垂尾结构上的抖振载荷, 是无法直接测量的, 只能通过 测试结构在动载荷作用下的动态响应来识别出结构的动载荷.

首先阐述了动 载荷识别的基本原理, 然后根据结构模型的特点, 将动载荷识别方法分为确 定性结构的动载荷识别方法和不确定性结构的动载荷识别两大类, 对近些年 国内外学者在这两方面的研究进展进行述评, 最后针对目前动载荷识别方法 研究中所存在的问题, 提出有待深入探讨的课题. 关键词 动载荷识别, 正则化, 卡尔曼滤波, 人工智能, 不确定性 中图分类号: O327 文献标识码: A DOI: 10.6052/1000-0992-14-049 收稿日期: 2014-07-10;

录用日期: 2015-02-06;

在线出版日期: 2015-02-10 ? E-mail: [email protected] 引用方式: 杨智春, 贾有. 动载荷的识别方法. 力学进展, 2015, 45:

201502 Yang Z C, Jia Y. The identi?cation of dynamic loads. Advances in Mechanics, 2015, 45:

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201502 1 引言随着科学技术的不断发展, 工程结构设计得越来越精细, 为了确保所设计结构的 可靠, 设计人员需要准确知道作用在结构上的外载荷. 一般来说, 结构所承受的静态外 载荷是比较容易预估的, 而在对受动载荷作用的结构进行动强度校核时, 除了考虑动 载荷的幅值, 还必须考虑动载荷的频率特性. 当动载荷的频率范围覆盖结构的共振频 率时, 结构会因共振而引起结构振动疲劳问题. 因此在进行大多数的工程结构设计时, 不仅要考虑其设计静载荷, 而且还必须考虑动载荷的影响, 以避免其发生振动疲劳失 效. 在多数情况下, 受技术条件或工作环境的限制, 作用在结构上的动载荷难以直接 测量甚至无法测量. 例如, 火车车轮与铁轨之间的接触载荷、柴油机工作时曲轴所承 受的轴承载荷、 高层建筑物所受到的脉动风载荷、 飞机飞行中由于翼面上气流分离所 产生的抖振载荷等 (图1). 相对而言, 结构在动载荷作用下的动态响应是比较容易测 试. 为此, 科研人员为这些难以直接测量的动载荷提供了一种间接的确定方法 ―― 动 载荷识别方法, 即通过结构在动载荷作用下产生的振动响应 (应变、位移、加速度) 来 对动载荷进行预计. 动载荷识别方法的提出和发展为工程结构的动强度设计以及振动 疲劳特性的评估提供了基础. 按照结构动力学理论, 动载荷识别问题属于结构动力学的第

2 类反问题, 它是根 据结构在动载荷作用下的振动响应 (应变、 位移、 加速度) 和系统的特性参数 (固有频 率、振型、阻尼比等) 来确定动载荷的过程. 动载荷的识别流程如图 2所示. 动载荷识别方法最早是

20 世纪

70 年代中期, 在航空领域中被提出来的 (Bartlett et al. 1979), 当时为了能够更准确地了解飞机飞行过程中的受载情况, 飞机设计工程 师将动载荷识别纳入到飞机的载荷设计工作中. 经过几十年的不断发展, 动载荷识别 方法已经有了长足的进步, 国内外一些学者先后对动载荷识别方法的研究现状进行了 总结研究 (Wang 2002, 瞿伟廉等 2004, Yu et al. 2007, Uhl 2007, 郭荣等 2013, 周盼等 2014, Sanchez et al. 2014). Wang (2002) 对作用在结构上的谐波载荷和冲击载荷的识别 方法进行了介绍, 将其分为直接法和优化法, 给出了这

2 种识别方法的计算流程, 并给 出了用优化方法识别结构上冲击载荷大小和位置的目标函数, 指出了解决这些优化问 题时需要注意的一些问题. 瞿伟廉等 (2004) 将动载荷识别方法分为频域法、 时域法、 时间有限元法、逆系统法、神经网络法、小波正交算子变换法, 并分别介绍了这些方 法的优缺点和适用范围, 讨论了影响动载荷识别精度的因素. Yu 等(2007) 对桥梁上移 动载荷的识别方法进行了综述, 重点介绍了 Interpretive Method I, Interpretive Method II, Time Domain Method 和Frequency Time Domain Method

4 种方法. 为了对这

4 种方 法的识别结果进行比较研究, 文中通过一系列试验来分析不同参数对移动载荷识别精 杨智春, 贾有 : 动载荷的识别方法

31 图1工程结构所受的动载荷 (Uhl 2007, Hosseini Fouladi et al. 2009, 吴天河等 2012, 党学会 2010). (a) 火车轮轨的接触载荷, (b) 曲轴的轴承载荷, (c) 高层建筑的风载荷, (d) 飞机 上的抖振载荷 图2动载荷识别的流程

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201502 度的影响, 最后指出了移动载荷识别方法在工程应用中所面临的困难. 周盼等 (2014) 对目前广泛采用的动载荷时域识别方法的研究现状和优缺点进行了总结, 这些时域 识别方法包括反卷积法、 计权加速度法、 函数逼近法、 卡尔曼滤波器和递归最小二乘 法、逆系统法以及新型的智能识别方法. Sanchez 等(2014) 将动载荷识别方法分为直 接法、正则化方法和统计方法, 并通过引用相关的动载荷识别文献来说明每一类方法 的基本思想及其优缺点. 综上所述, 动载荷识别问题已经成为结构动力学领域中的一个热点问题, 而在研 究中发现, 目前大部分动载荷识别研究都集中于确定性结构的动载荷识别方法, 而针 对不确定性结构的动载荷识别方法的研究相对较少. 随着科技的发展, 工程结构会越 来越复杂, 设计中的不确定性因素将会越来越多, 因此, 不确定性结构的动载荷识别方 法将会成为动载荷识别的重点研究方向之一. 本文根据结构模型的特点, 将动载荷识 别方法分为确定性结构的动载荷识别方法与不确定性结构的动载荷识别方法两大类, 从多方面对当前的动载荷识别方法研究进行了阐述, 并对其发展趋势进行了展望.

2 载荷识别的基本原理 为了便于了解各种动载荷识别方法的学术思想, 本文首先简要介绍动载荷识别的 基本原理及其在动载荷识别过程中所面临的各种困难. 2.1 模型的建立 根据 图2的动载荷识别流程, 为了进行结构的动载荷识别, 首先需要建立一个能 够反映结构动力学特性的数学模型. 工程结构的建模分为理论建模与试验建模两大 类, 理论建模就是将具体的工程结构进行必要的简化处理, 并采用合理的力学假设, 根 据力学原理建立起表征结构力学行为的数学方程. 对工程结构进行动力学建模时, 通 常采用有限元法, 将工程结构这种复杂的连续系统, 离散成为具有有限多个自由度的 离散系统, 并根据哈密尔顿原理建立结构的动力学微分方程. 理论建模原理虽然简单, 但是在具体建模过程中所采用的各种假设和简化处理都与建模工作者的工程实践经 验有很大的关系. 因此, 在将具体结构的物理模型转化为力学模型, 再建立其数学模型 的过程中, 不可避免地会产生一定的模型误差. 为了避免模型简化和假设带来的误差, 研究者提出了另一类建模方法 ―― 试验 建模方法. 试验建模时, 需要对结构进行动态激励, 测量结构的输入 (外激励) 与输出 (振动响应) 数据, 再通过参数识别方法来建立工程结构的动力学模型. 试验建模的优 点是避免了理论建模过程中所采用的各种简化处理和力学假设, 所得到的动力学模 型也比较可靠. 当然, 由于系统参数识别方法本身的限制, 结构试验时的测试误差以及 对大型复杂结构支持条件和环境条件模拟的准确性, 也使得试验建模方法具有其局限 杨智春, 贾有 : 动载荷的识别方法

33 性. 例如航空母舰、宇宙飞船、空间站等大型复杂工程结构就很难靠单一的地面试验 来建立结构的结构模型, 这种情况就需要合理使用上述

2 类建模方法, 才能减小建模 的误差, 得到一个较为准确、可靠的动力学模型. 尽管现有的大部分动载荷识别方法都认为模型误差可以忽略不计, 但是当模型误 差达到一定程度时, 动载荷的识别精度就会受到很大的影响, 因此, 已经有一些学者针 对模型误差问题提出了相应的动载荷识别方法 (Liu et al. 2005, 毛玉明等 2012, 张磊 等2014). 2.2 结构振动响应的获取 准确获取结构的振动响应是进行动载荷识别的前提, 结构的振动响应可以通过传 感器从振动结构上直接测量得到. 为了提高动载荷识别精度, 测量结构振动响应时需 要注意

2 个方面的问题: 一方面的问题是传感器的优化布置, 传感器位置布置不当, 会 导致系统矩阵出现病态, 且得不到充分的动响应信息, 进而降低动载荷识别的精度. 因 此在布置传感器时需要考虑

3 个因素 (李东升等 2011): (1) 布置传感器的数量;

(2) 传 感器位置的选取;

(3) 传感器位置的优劣. 大部分动载荷识别方法研究的文献中, 对传 感器布置优劣的评价都是基于系统矩阵条件数来进行的 (Thite et al. 2006, Gupta et al. 2013, Zheng et al. 2011, Wang et al. 2013). 另一方面的问题是振动响应的准确测试, 在振动响应的测试过程中, 要尽可能........