一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法。根据轴向拉力作用下梁振动理论，由各测点弯曲应变时历推导测点振动位移时历。针对柔性立管多模态响应特性，采用EMD方法分解振动位移时历，得到不同频率的振动位移时历。通过在原始数据中增加基于高频分解结果的谐波信号，保证各测点的同阶分解结果频率一致。通过比较同频振动的各测点的相位差，得到立管振动形状，从而确定此频率对应的振动阶数。解决了柔性立管涡激振动模态识别的问题，有效避免了由于立管涡激振动会振型不对称的特性引起的模态分析法分析结果中的模态混淆问题，并且具有良好的自适应能力，因此本发明专利技术的分析结果更加准确，立管的振型的表达更加快捷有效。更加快捷有效。更加快捷有效。

【技术实现步骤摘要】
一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法


[0001]本专利技术涉及一种基于EMD的柔性立管模型涡激振动模态识别方法，属于海洋工程结构物模态识别领域。

技术介绍

[0002]立管是进行海洋油气勘探开发的必不可少的关键设备，连接工作平台与海底作业区。一般分为钻井立管和生产立管。钻井立管是用来输送钻井用的液体，而生产立管是用来把海底的油气输送到海面平台上。在一定的来流作用下，立管会发生横向振动。这是由漩涡沿立管的尾流区域交替脱落引起的特殊的水动力现象，称为立管的涡激振动(vortex induced vibraiton)。柔性立管涡激振动响应特性分析的一个主要方面为主要振型与其对应频率的分析。目前此分析主要采用模态分析方法，即先假定立管不同振动阶数的振型，通常采用正弦函数模拟，然后采用最小二乘法估算不同模态对应的模态权重。这种研究方法存在以下问题：
[0003](1)立管振动产生的附加质量会引起立管质量分布不均匀，从而导致正弦函数与实际振型之间存在一定的差异。
[0004](2)柔性立管涡激振动的行波特性会使正弦函数与实际振型之间存在的差异扩大。
[0005](3)模态混淆会影响模态分析，高阶响应时低阶模态会影响高阶模态的分析。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是：避免由于立管涡激振动会振型不对称的特性引起的模态分析法分析结果中的模态混淆问题。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是提供了一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1、基于各测点弯曲应变时历推导得到各测点的振动位移时历；
[0009]步骤2、针对柔性立管多模态响应特性，采用EMD方法分解振动位移时历，得到不同频率的振动位移时历，在此过程中，通过在原始的振动位移时历中增加基于高频分解结果的谐波信号，以保证各测点的同阶分解结果频率一致；
[0010]步骤3、通过比较同频振动的各测点的相位差，得到立管振动形状，从而确定此频率对应的振动阶数。
[0011]优选地，步骤1包括基本数据输入以及由应变计算位移。
[0012]优选地，所述基本数据输入包括以下步骤：
[0013]输入立管的基本属性参数、轴向力及某流速下各测点的立管应变时历数据。
[0014]优选地，所述立管的基本属性参数包括长度、半径以及弹性模量。
[0015]优选地，所述立管应变时历数据包括各个测点的位置坐标及各测点处的弯曲应变时历。
[0016]优选地，所述由应变计算位移包括以下步骤：
[0017]根据梁复杂弯曲理论，推导由应变响应到位移响应的转换矩阵，基于转换矩阵将各个测点的立管应变时历数据转换为位移时历数据。
[0018]优选地，步骤2中，所述基于高频分解结果的谐波信号采用以下方法获得：
[0019]对步骤1获得的各测点的位移时历数据进行EMD分解，寻找响应的最大频率作为高频谐波的频率，并根据分解结果确定高频谐波的振幅，该高频谐波即为所述基于高频分解结果的谐波信号。
[0020]优选地，所述步骤2包括以下步骤：
[0021]步骤201、确定高频谐波频率及幅值：
[0022]对步骤1获得的各测点的位移时历数据进行EMD分解，寻找响应的最大频率作为高频谐波的频率，并根据分解结果确定高频谐波的振幅；
[0023]步骤202、EMD分解；
[0024]在步骤1获得的各个测点的位移时历数据中加入步骤201获得的高频谐波，并进行EMD分解，将第一个分解结果减去高频谐波，获得真正的第一阶分解结果，即获得第一阶振动时历，其他分解结果即为其余各阶的振动时历。
[0025]优选地，所述步骤3包括以下步骤：
[0026]对每一阶振动时历进行频谱分析，得到响应频率；
[0027]比较同阶振动中各测点的相位，得到立管振动的振型，进而确定振动阶数。
[0028]本专利技术的另一个技术方案是提供了一种上述的基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法的应用，其特征在于，用于识别梁型结构物的振动模态。
[0029]根据轴向拉力作用下梁振动理论，由各测点弯曲应变时历推导测点振动位移时历。针对柔性立管多模态响应特性，采用EMD方法分解振动位移时历，得到不同频率的振动位移时历。通过在原始数据中增加基于高频分解结果的谐波信号，保证各测点的同阶分解结果频率一致。通过比较同频振动的各测点的相位差，得到立管振动形状，从而确定此频率对应的振动阶数。解决了柔性立管涡激振动模态识别的问题，无需假设立管模态振型，有效避免了由于立管涡激振动会振型不对称的特性引起的模态分析法分析结果中的模态混淆问题，并且具有良好的自适应能力，因此本专利技术的分析结果更加准确，立管的振型的表达更加快捷有效。
附图说明
[0030]图1示意了本专利技术的流程；
[0031]图2(a)及图2(b)示意了本专利技术的振型识别结果，其中，图2(a)为6阶振型，图2(b)为4阶振型。
具体实施方式
[0032]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0033]本实施例公开的一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法针对立管涡激振动位移响应特性分析，能够获得各阶模态振动的频率，得到立管振动的实际变形形状，确定立管各阶模态的阶数，进而将振动频率和振型对应起来，而无需预先假设振型。
[0034]具体而言，本实施例公开的方法包括以下步骤：
[0035]步骤1、基本数据输入：
[0036]输入立管的基本属性参数、轴向力及某流速下各测点的立管应变时历数据。本实施例中，立管的基本属性参数包括长度、半径以及弹性模量。立管应变时历数据包括各个测点的位置坐标及各测点处的弯曲应变时历。
[0037]步骤2、由应变计算位移：
[0038]根据梁复杂弯曲理论，推导由应变响应到位移响应的转换矩阵，基于转换矩阵获得用于将应变时历转换为位移时历的子函数junbu_Dyn01。将步骤1中的立管应变时历数据输入子函数junbu_Dyn01进行处理后，得到各个测点的位移时历数据。
[0039]本实施例中，转换矩阵的推导包括以下步骤A至D：
[0040]步骤A、根据结构动力学，立管振动位移与外载荷之间存在如下关系：
[0041][0042]其中，[M]、[C]、[K]分别为立管的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵，[f]为外载荷。
[0043]步骤B、将(1)式变形，将阻尼力即惯性力移动至方程右边，得到对于任意时刻立管位移与广义弹性力之间的关系为：
[0044][0045]步骤C、根据梁弯曲理论，立管弯曲变形的位移w与应变ε存在如下关系：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、基于各测点弯曲应变时历推导得到各测点的振动位移时历；步骤2、针对柔性立管多模态响应特性，采用EMD方法分解振动位移时历，得到不同频率的振动位移时历，在此过程中，通过在原始的振动位移时历中增加基于高频分解结果的谐波信号，以保证各测点的同阶分解结果频率一致；步骤3、通过比较同频振动的各测点的相位差，得到立管振动形状，从而确定此频率对应的振动阶数。2.如权利要求1所述的一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法，其特征在于，步骤1包括基本数据输入以及由应变计算位移。3.如权利要求2所述的一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法，其特征在于，所述基本数据输入包括以下步骤：输入立管的基本属性参数、轴向力及某流速下各测点的立管应变时历数据。4.如权利要求3所述的一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法，其特征在于，所述立管的基本属性参数包括长度、半径以及弹性模量。5.如权利要求3所述的一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法，其特征在于，所述立管应变时历数据包括各个测点的位置坐标及各测点处的弯曲应变时历。6.如权利要求2所述的一种基于EMD方法的柔性立管模型涡激振动模态识别方法，其特征在于，所述由应变计算位移包括以下步骤：根据梁复杂弯曲理论，推导由应变响应到位移响应的转换矩阵，基于转换矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曼，彭营豪，王凡超，陈碧昊，蔡斯渊，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七零八研究所，
类型：发明
国别省市：