一种非均布式结构振动场工程测试方法技术

本发明专利技术涉及一种非均布式结构振动场工程测试方法，基于结构振动模态矩阵的条件数，通过循环迭代过程中剔除导致矩阵条件数增大的振动测点，实现测点数量的缩减和测点位置优选。然后基于模态叠加法，仅采用数量缩减后优选测点的测量数据，实现整个大型结构物的振动场重构，本发明专利技术优选少量传感器布置位置，并采用这些传感器测试数据来重构整个结构振动响应场，从而节省空间、重量并显著降低测试工作量，也为振动监测系统提供了监测位置优选方法。

An engineering test method for non uniform structure vibration field

The invention relates to an engineering test method for non-uniform structural vibration field. Based on the condition number of the structural vibration modal matrix, the vibration point that causes the increase of matrix condition number is eliminated in the cyclic iteration process, and the number of measuring points is reduced and the location of measuring points is optimized. Then based on the modal superposition method, only the reduction in the number of optimal measurement data points, the vibration field reconstruction of large structure, the invention is preferably a sensor placement, and use these data to reconstruct the whole sensor test the vibration response from the field, and save space and weight and significantly reduce the workload, but also provide the location optimization method for monitoring the vibration monitoring system.

【技术实现步骤摘要】
一种非均布式结构振动场工程测试方法
本专利技术属于船舶工程中大型结构物振动测试的
，特别涉及一种非均布式结构振动场工程测试方法。
技术介绍
船舶工程中大型结构物振动测试的传统方法，是在结构上均匀布置成百上千个传感器及其信号线，采用结构物各部位完全覆盖传感器的方式，实现测量结构各部位振动响应的目的。这种传统方法测试准备工作量繁重；测试结构整体振动还需要在结构物上各个位置均匀布置传感器，但很多位置因设备占用、空间狭小等因素难以布置传感器；大量传感器和信号线还增加了可能影响结构动态特性的附加质量。如果减少传感器覆盖密度，过少的传感器又有导致数据偏差的风险，因此传统的大结构振动测试方法难以实施，对传感器数量和布置方式进行优化是简化工程测试的重要研究方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述技术需求而提供一种非均布式结构振动场工程测试方法，仅用极少数振动传感器、非均匀布置在大型结构物上，即可测量分析得到整个大型结构物整体振动场响应。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种非均布式结构振动场工程测试方法，其特征在于包括如下步骤：S1)设定初始确定的识别结构模态参数所布置的初始测点数为N个，采用逐步削减法确定最终测点数为E个，使通过E个测点识别出的模态仍然保持线性独立，具体过程如下：(a)根据所要求的频率范围确定结构振动模态截断数L，则：最少测点数Emin＝L，最终测点数E>L；(b)刚开始时取所有N个测点的模态振型系数构成矩阵ΦN，则：式中：cond(ΦN)为矩阵ΦN在范数意义下的条件数，N为传感器可选位置数目，上标“+”表示广义逆矩阵，上标“H”表示共轭矩阵，tr(BN)为矩阵BN的迹，其中，φs为ΦN的第s行；(c)在每次循环中，分别去掉各个传感器可选位置并计算剩余矩阵条件数，若去掉第j行时剩余矩阵条件数最小，则该行对应的测点就是这次循环需去掉的测点，也就是矩阵ΦN中的第j行，当去掉第j个传感器的可选位置时，有：则：(d)重复步骤(c)，直至剩下的最少测点数Emin，进而根据工程需求确定最终测点数E，即得到E个测点位置对应的振动模态矩阵ΦE；S2)根据振动理论，有V＝ΦA，式中，V为结构表面N个测点法向振速列向量，Φ为结构振动模态法向分量矩阵，A为模态坐标列向量；结构表面E个测点位置处的振动速度为：VE＝ΦEA，式中，VE＝[v1,v2,...,vE]T，为从表面振动速度向量V中取E个测点处的振动响应形成响应矢量，A为模态坐标列向量，则得到振动场重构的计算公式：将最终得出的ΦE和实测的VE代入上述公式，即可通过E个测点的测量数据获得整个结构的振动响应。按上述方案，所述步骤S1)具体包括如下内容：最终测点数E与结构振动模态截断数L的差值范围为3～20个。本专利技术的有益效果是：提供一种非均布式结构振动场工程测试方法，解决了大型结构物噪声测点布置优选难题，建立了基于非均布测点数据的测点缩减及结构噪声重构方法，解决了大型结构物难以简便准确测试的问题，为大型结构物振动测试提供了高效手段，取得了测点减少了87％而误差仅2.4dB的效果，在保证精度的前提下极大地减少了测点数目，使大型结构物噪声测试简便准确，具备了大规模监测实施的工程可行性，填补了国内空白，为工程测试提供了技术支撑，预期在潜艇声学状态评估、结构噪声测试、辐射噪声估算及噪声源识别等方面发挥重要作用，潜在应用前景广阔。附图说明图1为本专利技术一个实施例的加速度传感器测点布置示意图。图2为本专利技术一个实施例的剩余测点模态矩阵条件数随迭代次数的变化图。图3为本专利技术一个实施例的典型的重构响应与实测值对比图。其中：1.单层圆柱壳，2.加速度传感器，3.激振器，4.基座。具体实施方式现结合附图对本专利技术具体实施方式进行说明，本专利技术并不局限于下述实施例。本智力成果主要技术有条件数削减法和振动场重构方法。其中振动场重构是基于结构模态进行的，综合结构的固有模态及分析频率的要求，通过结构表面有限个测点的振动速度重构出整个结构表面的振动速度分布。在通过测试、仿真或缩比模型实验等多种方法识别出结构的模态参数后，即可按条件数削减法进行最终测点的优选。进行结构噪声测点布置优选前，除了需要先行确定结构模态振型外，还需根据所关心的测试频率，确定模态截断数目L，从而确定最少测点Emin。但由于工程测试的不确定性，通常最终测点数目E应当比所用模态截断数大3～5个，根据测点缩减的规模，或许需要多设置20个测点(比如从300个初始测点确定15个测点，为留出更多余量可实际采用35个测点)，这需要工程经验的积累。在可能的情况下，多设置些测点是有益结果准确性但增加工程难度的，需要在实际工作中进行折衷取舍。条件数削减法的原理是：ΦE的条件数决定了振动场重构公式中矩阵求逆的准确度，ΦE的条件数越大则误差越大。因此可以选择导致最小ΦE条件数的传感器组合来实现传感器布置优化的目的。这里ΦE的条件数是传感器布置优化的判据，它可以用Frobenius范数表示为：式中：“||·||”表示Frobenius范数，为矩阵ΦE在Frobenius范数意义下的条件数，上标“+”表示Moore-Penrose广义逆。根据Frobenius范数与矩阵迹的关系，可以得到：式中：φs为ΦE的第s行，tr(·)表示矩阵的迹。设定初始确定的识别结构模态参数所布置的初始测点数为N个，采用逐步削减法确定最终测点数为E个，使通过E个测点识别出的模态仍然保持线性独立，具体过程如下：(a)根据所要求的频率范围确定结构振动模态截断数L，则：最少测点数Emin＝L，最终测点数E>L；(b)刚开始时取所有N个测点的模态振型系数构成矩阵ΦN，则：式中：cond(ΦN)为矩阵ΦN在范数意义下的条件数，N为传感器可选位置数目，上标“+”表示广义逆矩阵，上标“H”表示共轭矩阵，tr(BN)为矩阵BN的迹，其中，φs为ΦN的第s行；(c)在每次循环中，分别去掉各个传感器可选位置并计算剩余矩阵条件数，若去掉第j行时剩余矩阵条件数最小，则该行对应的测点就是这次循环需去掉的测点，也就是矩阵ΦN中的第j行，当去掉第j个传感器的可选位置时，有：则：(d)重复步骤(c)，直至剩下的最少测点数Emin，进而根据工程需求确定最终测点数E，即得到E个测点位置对应的振动模态矩阵ΦE。根据振动理论，有V＝ΦA，式中，V为结构表面N个测点法向振速列向量，Φ为结构振动模态法向分量矩阵，A为模态坐标列向量；结构表面E个测点位置处的振动速度为：VE＝ΦEA，式中，VE＝[v1,v2,...,vE]T，为从表面振动速度向量V中取E个测点处的振动响应形成响应矢量，A为模态坐标列向量，则得到振动场重构的计算公式：表明可测量部分结构响应来重构结构任意位置响应(假设所有模态振型已知)，但这部分传感器位置并不是随意选取的，传感器位置组成支配着逆问题的准确性，也是响应重构准确性的决定性因素，可用条件数法选取传感器位置组合来实现优化。将最终得出的ΦE和实测的VE代入上述公式，即可通过E个测点的测量数据获得整个结构的振动响应。实施例一：本例对单层圆柱壳1(两端封闭)在水下进行模态测试和振动响应测试，然后按条件数测点缩减方法及结构噪声重构方法进行数据处理，最终获得重构后的壳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非均布式结构振动场工程测试方法，其特征在于包括如下步骤：S1)设定初始确定的识别结构模态参数所布置的初始测点数为N个，采用逐步削减法确定最终测点数为E个，使通过E个测点识别出的模态仍然保持线性独立，具体过程如下：(a)根据所要求的频率范围确定结构振动模态截断数L，则：最少测点数Emin＝L，最终测点数E>L；(b)刚开始时取所有N个测点的模态振型系数构成矩阵ΦN，则：

【技术特征摘要】
1.一种非均布式结构振动场工程测试方法，其特征在于包括如下步骤：S1)设定初始确定的识别结构模态参数所布置的初始测点数为N个，采用逐步削减法确定最终测点数为E个，使通过E个测点识别出的模态仍然保持线性独立，具体过程如下：(a)根据所要求的频率范围确定结构振动模态截断数L，则：最少测点数Emin＝L，最终测点数E>L；(b)刚开始时取所有N个测点的模态振型系数构成矩阵ΦN，则：式中：cond(ΦN)为矩阵ΦN在范数意义下的条件数，N为传感器可选位置数目，上标“+”表示广义逆矩阵，上标“H”表示共轭矩阵，tr(BN)为矩阵BN的迹，其中，φs为ΦN的第s行；(c)在每次循环中，分别去掉各个传感器可选位置并计算剩余矩阵条件数，若去掉第j行时剩余矩阵条件数最小，则该行对应的测点就是这次循环需去掉的测点，也就是矩阵ΦN中的第j行，...

【专利技术属性】
技术研发人员：原春晖，阮竹青，田波，张俊杰，彭伟才，刘彦，郎波，张科，王冠，袁兴军，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：湖北,42