一种基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法技术方案

本发明专利技术属于动态载荷识别领域，具体涉及一种基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法。本发明专利技术包括：解算机械系统参数矩阵；对原机械系统线性化，对原机械系统的块阵对角化：解算机械系统的非耦合形式；检测系统实时响应与载荷的关系；根据机械系统的实测响应信号，输出实际载荷，实测响应信号获取载荷。本发明专利技术提出了一种基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法，与现有的时域识别方法相比，此方法打破了时域识别方法在理论上只适用于比例阻尼的局限性，适用范围更加广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法
本专利技术属于动态载荷识别领域，具体涉及一种基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法
技术介绍
动态载荷识别是根据已知系统的动态特性和实测的动力响应反算结构所受的激励。动载荷的确定是一个较难的问题，但又是结构动态设计的关键之一。动载荷的识别在构动力响应计算、结构动态设计及故障分析中是十分重要的，为结构的动态计算、设计及分析提供可靠的依据。载荷识别方法主要分为时域和频域两大类。频域法是在频域内建立系统的输入输出关系，通过系统的输出识别动态输入的过程。频域法起步较早，其关键在于准确获得输入输出关系，而系统输入输出关系是线性算子，其逆运算易于处理，因而频域载荷识别技术已取得很大进展，在直升飞机动态力、汽车装配梁激振力、掘进机受载、发动机活塞力等方面的严重中得到了应用。采用频域法虽然可确定动态力谱的均值与方差，但对于识别动态力确切的时间历程还有一定难，特别是可能会出现奇异值和不稳定现象。动态载荷的时域识别方法直接依据结构的响应时程来识别未知载荷的时间历程，便于应用，在工程设计中得到广泛的应用。动载荷时域识别研究起步较晚，这些方法中应用最为广泛的是针对离散系统，假定在微小时间间隔内动态载荷为一阶跃函数，建立相应的非耦合模型，从而利用加速度、速度计位移响应获得动态响应。具体实现方法如下：对具有n个自由度的线性系统其中，M、C、K和F分别表示为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和外力向量。由实测或有限元分析得此系统的模态参数：固有频率ωr、阻尼比ξr及模态矩阵Φ，其中利用模态矩阵Φ做正则化处理，将系统转化为非耦合形式其中，r＝1,2,…,n，qr(t)为第r阶模态坐标。此时利用精细逐步积分法计算求解（2）式，在外载荷F(t)为时间段[tj,tj+1]内一阶跃力的假设下，解算得模态坐标qr(t)与外载荷F(t)之间的关系，再由x(t)=Φq(t)得出结构的位移响应x(t)与在外载荷F(t)之间的关系。从而利用结构的模态参数建立了结构系统在时域内的逆向模型，输入结构的实测响应x(t)便可通过关系式解算得系统外载荷F(t)。但此类时域方法涉及到将系统转化为非耦合形式，而这种利用结构模态矩阵进行系统的解耦当且仅当系统为比例阻尼系统（即系统阻尼矩阵C为质量矩阵M和刚度矩阵K的线性组合形式）或经典阻尼系统（系统参数矩阵满足关系CM-1K＝KM-1C）时才能够实现。这就限制了此类方法的适用范围，并对载荷识别的精度带来了影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种应用范围更广的基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法。本专利技术的目的是这样实现的：1）根据有限元分析法，解算得机械系统参数矩阵M、C、K；2）对原机械系统线性化：其中，对原机械系统的块阵对角化：其中Πr和Πl为解耦变换，Πr和Πl为非奇异矩阵，MD，CD和KD为对角阵，对原机械系统做线性变换y＝Πrz，并左乘矩阵Πl得到原机械系统的等价解耦形式：令得到机械系统的非耦合形式，3）解算机械系统的非耦合形式，获得载荷F(t)与坐标z1(t)的关系模型：机械系统的非耦合方程分解式为其中，mrg(l)表示的第r行第g(l)列的元素，k为激励点数，g(l)为第l号激励点的自由度序号，则其中在积分步长t∈(tj,tj+1)通解为：{v(t)}＝[T(τ)]({v(tj)}-{vp(tj)})+{vp(t)}其中[T(τ)]＝e[H]τ，τ＝t-tj，{vp(t)}为特解；4）根据步骤3）的关系模型检测系统实时响应x(t)与载荷信息F(t)的关系，将坐标关系式和y＝Πrz；5）根据机械系统的实测响应信号x(t)，输出实际载荷F(t)，实测响应信号x(t)获取载荷F(t)。本专利技术的有益效果在于：（1）本专利技术提出了一种基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法，与现有的时域识别方法相比，此方法打破了时域识别方法在理论上只适用于比例阻尼的局限性，适用范围更加广泛。（2）本专利技术提出了一种基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法，与现有的时域识别方法相比，此方法从数学原理的角度上，通过理论推导获得机械系统响应信号和载荷信号的关系模型，无需进行大量的数值训练确定模型参数。附图说明图1表示实验2中F(t)的真实值；图2表示实验2中F(t)的仿真值；图3表示F(t)的真实值与仿真值的误差；图4表示实验1前9步迭代结果与真实值；图5表示实验2中F1(t)前6步迭代结果与真实值；图6表示实验2中F2(t)前6步迭代结果与真实值。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。针对现有动态载荷时域识别方法中系统解耦问题的不足，本专利技术公开了一种基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法。本专利技术提出的方法与现有技术的显著区别是：将基于Lancaster结构的解耦方法引入载荷识别问题，通过等价线性系统的块阵对角化来获得原机械系统的非耦合形式，并推导出相应的逐步积分迭代公式，实现载荷时域识别。本专利技术提出的方法不仅针对比例阻尼系统和经典阻尼系统有效，而且对于普遍的二阶结构系统都有效，改进了已有方法在获得系统非耦合形式时的不足。本专利技术提出一种基于二阶系统解耦的载荷时域识别方法，包括下列步骤：1.由有限元分析法，解算得机械系统参数矩阵M、C、K。2.利用基于Lancaster结构的二阶系统解耦思想，采用某种解算方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法，其特征在于：1）根据有限元分析法，解算得机械系统参数矩阵M、C、K；2）对原机械系统Mx··(t)+Cx·(t)+Kx(t)=F(t)线性化：CMM0y·(t)+K00-My(t)=F(t)0其中，y(t)=x(t)x·(t),对原机械系统的块阵对角化：ΠlCMM0Πr=CDMDMD0,ΠlK00-MΠr=KD00-MD其中Πr和Πl为解耦变换，Πr和Πl为非奇异矩阵，MD，CD和KD为对角阵，对原机械系统做线性变换y＝Πrz，并左乘矩阵Πl得到原机械系统的等价解耦形式：CDMDMD0z·+KD00-MDz=ΠlF0令Πl=l11l12l21l22,z=z1z2得到机械系统的非耦合形式，z··1+MD-1CDz·1+MD-1KDz1=MD-1(l11F+l21F·);3）解算机械系统的非耦合形式，获得载荷F(t)与坐标z1(t)的关系模型：机械系统的非耦合方程分解式为z··1r(t)+MDr-1CDrz·1r(t)+MDr-1KDrz1r(t)=pr(t)其中，mrg(l)表示的第r行第g(l)列的元素，k为激励点数，g(l)为第l号激励点的自由度序号，则{v·(t)}=[H]{v(t)}+{r(t)}其中{v(t)}=z1r(t)z·1r(t),[H]=01MDr-1KDr-MDr-1CDr,{r(t)}=0pr(t)在积分步长t∈(tj,tj+1)通解为：{v(t)}＝[T(τ)]({v(tj)}?{vp(tj)})+{vp(t)}其中[T(τ)]＝e[H]τ，τ＝t?tj，{vp(t)}为特解；4）根据步骤3）的关系模型检测系统实时响应x(t)与载荷信息F(t)的关系，将坐标关系式y=xx·,z=z1z2,和y＝Πrz；5）根据机械系统的实测响应信号x(t)，输出实际载荷F(t)，实测响应信号x(t)获取载荷F(t)。FDA0000433823860000018.jpg,FDA00004338238600000110.jpg,FDA00004338238600000111.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种基于二阶系统解耦的动载荷时域识别方法，其特征在于：1)根据有限元分析法，解算得机械系统参数矩阵M、C、K；2)对原机械系统线性化：其中，对原机械系统的块阵对角化：其中Πr和Πl为解耦变换，Πr和Πl为非奇异矩阵，MD，CD和KD为对角阵，对原机械系统做线性变换y＝Πrz，并左乘矩阵Πl得到原机械系统的等价解耦形式：令得到机械系统的非耦合形式，3)解算机械系统的非耦合形式，获得载荷F(t)与坐标z1(t)的关系模型：机械系统的非耦合方程分解式为

【专利技术属性】
技术研发人员：王淑娟，沈继红，谢晓蓓，王国巧，周莹，张磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：