【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于动载荷识别领域，具体涉及一种基于振型比较的动载荷位置识别方法与系统。
技术介绍
1、在实际工程应用中，结构所受的动载荷在结构的设计、优化以及健康监测等过程中至关重要。但是，通过直接测量的方式确定作用在结构上的载荷的位置与大小是十分困难的，因此，动载荷识别技术应运而生。动载荷识别，即通过易于测量的结构动响应和已知的结构动特性逆向重构作用在结构上的动载荷，属于结构动力学的第二类逆问题，是数学中典型源识别反问题。动载荷识别方法起源于20世纪70年代，最早应用于军用航空领域。在随后的几十年里，大量的动载荷识别方法被提出并广泛应用于各个领域当中。传统的动载荷识别方法，大都是在已知载荷作用位置的情况下，识别载荷的大小。可以将这些方法分为三类，即频域法、时域法和智能方法。频域法即在频域上进行识别的方法，这种方法起步较早，发展成熟，适用于长时间或者平稳载荷的识别。时域法在时域上建立响应与载荷的映射关系，识别载荷作用的时域历程，在冲击载荷等短时间的情况下优势明显。但是受到累计误差和病态问题的影响，仍有较大研究空间。智能方法是近期提出的一系列以机器学习为代表的新方法，目前仍处于研究的初期阶段。
2、目前对于动载荷位置识别的研究相对较少，且主要集中在冲击载荷定位方面，在其他类型载荷的定位上很难同时做到快速和准确。通过参数寻优的方法进行动载荷位置识别，需要进行大量的逆问题求解，计算成本高，计算时间长，经济性较差。而现有的快速定位方法大都需要事先预知结构所承受的动载荷的类型，且主要是针对冲击载荷的快速定位，对于其他类型的载荷快速
技术实现思路
1、专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于振型比较的动载荷位置识别方法与系统，实现仅需要对模态载荷进行一次识别即能获得高精度的识别结果，提升了动载荷位置识别的速度，且在各种类型的载荷上均有相当高的精度与稳定性，符合理论预期与工程要求。
2、技术方案：为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、一种基于振型比较的动载荷位置识别方法，包括以下步骤：
4、步骤1：根据newmark显式方法的参数α和β以及响应测量点的模态振型信息构建模态载荷识别方程y＝hf，y表示系统模态响应，h表示时域响应与激励的映射矩阵，f表示系统模态载荷；
5、步骤2：根据测量得到的响应信息，对步骤1得到的方程结合截断奇异值分解正则化方法对模态载荷进行求解，得到系统模态载荷f；
6、步骤3：选取任一阶模态载荷并计算其最小二乘逆，并确定载荷激励位置处各阶振型之间的比例关系其中wi(xf)为载荷激励位置xf处第i阶模态加速度的影响权重，r为模态截断阶数；
7、步骤4：计算振型偏差函数用于定量比较，确定载荷激励位置xf；
8、步骤5：根据步骤4确定的载荷激励位置xf对模态力矢量与真实载荷转换关系公式进行逆问题求解，确定载荷的大小。
9、其中，在构建模态载荷识别方程时，选用向量y(t)∈rm×1代表系统的输出，其中rd、rv和ra∈rm×r分别是模态位移、模态速度和模态加速度对于系统输出产生的影响权重，m为已知响应的数量，r为模态截断阶数，为系统各阶模态响应。
10、根据物理坐标和模态坐标之间的加速度响应转换公式：选择物理坐标系中的加速度作为测量响应，得到rd、rv和ra为：其中wi(xj)表示在对应第j个测量响应的位置处第i阶模态加速度的影响权重。
11、确定载荷激励位置处各阶振型之间的比例关系时，对于连续系统，ti时刻的模态力矢量与真实载荷转换关系为：其中k为系统所受集中载荷的数量，fk(ti)表示第k个载荷在ti时刻的值，表示第k个载荷所作用的位置。
12、在单点激励情况下，ti时刻的模态力矢量与真实载荷转换关系为
13、
14、选取任一阶模态载荷并计算其最小二乘逆，并确定载荷激励位置处各阶振型之间的比例关系，表示为：其中j为任一阶模态。
15、其中，通过振型偏差函数进行定量比较时，取g(x)最小的时候对应的x值，作为载荷激励位置xf。
16、本专利技术还提供一种基于振型比较的动载荷位置识别系统，包括：
17、模态载荷识别方程构建模块，用于根据newmark显式方法的参数α和β以及响应测量点的模态振型信息构建模态载荷识别方程y＝hf，y表示系统模态响应，h表示时域响应与激励的映射矩阵，f表示系统模态载荷；
18、模态载荷求解模块，用于根据测量得到的响应信息，对模态载荷识别方程构建模块得到的方程结合截断奇异值分解正则化方法对模态载荷进行求解，得到系统模态载荷f；
19、振型比较模块，用于选取任一阶模态载荷并计算其最小二乘逆，并确定载荷激励位置处各阶振型之间的比例关系其中wi(xf)为在载荷激励位置xf处第i阶模态加速度的影响权重，r为模态截断阶数；
20、载荷位置确定模块，用于计算振型偏差函数用于定量比较，确定载荷激励位置xf；
21、载荷大小确定模块，用于根据载荷位置确定模块确定的载荷激励位置xf对模态力矢量与真实载荷转换关系公式进行逆问题求解，确定载荷的大小。
22、本专利技术还提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如上所述的基于振型比较的动载荷位置识别方法的步骤。
23、本专利技术还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于振型比较的动载荷位置识别方法的步骤。
24、有益效果：本专利技术提出的基于振型比较的动载荷位置识别方法基于newmark显式方法确定振动系统的各阶模态载荷，将传统的“响应-系统-载荷”动载荷识别结构改写成“响应-模态响应-系统-模态载荷”，然后通过计算最小二乘逆的方式确定载荷作用位置的模态振型进而确定载荷作用的位置。这种方法无需对每一个可能加载点进行载荷识别，仅需要对模态载荷进行一次识别，极大的提升了动载荷位置识别的速度，且该方法在正弦、随机和冲击载荷识别中均具有良好的精度，并且具有优秀的抗噪声能力。
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1.一种基于振型比较的动载荷位置识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在构建模态载荷识别方程时，选用向量y(t)∈Rm×1代表系统的输出，其中Rd、Rv和Ra∈Rm×r分别是模态位移、模态速度和模态加速度对于系统输出产生的影响权重，m为已知响应的数量，r为模态截断阶数，为系统各阶模态响应。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据物理坐标和模态坐标之间的加速度响应转换公式：选择物理坐标系中的加速度作为测量响应，得到Rd、Rv和Ra为：其中Wi(xj)表示在对应第j个测量响应的位置处第i阶模态加速度的影响权重。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定载荷激励位置处各阶振型之间的比例关系时，对于连续系统，ti时刻的模态力矢量与真实载荷转换关系为：其中k为系统所受集中载荷的数量，Fk(ti)表示第k个载荷在ti时刻的值，表示第k个载荷所作用的位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在单点激励情况下，ti时刻的模态力矢量与真实载荷转换关系为
6.根据权利要求5所述
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过振型偏差函数进行定量比较时，取g(x)最小的时候对应的x值，作为载荷激励位置xf。
8.一种基于振型比较的动载荷位置识别系统，其特征在于，包括：
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如如权利要求1-7中任一项所述的基于振型比较的动载荷位置识别方法的步骤。
10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于振型比较的动载荷位置识别方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种基于振型比较的动载荷位置识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在构建模态载荷识别方程时，选用向量y(t)∈rm×1代表系统的输出，其中rd、rv和ra∈rm×r分别是模态位移、模态速度和模态加速度对于系统输出产生的影响权重，m为已知响应的数量，r为模态截断阶数，为系统各阶模态响应。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据物理坐标和模态坐标之间的加速度响应转换公式：选择物理坐标系中的加速度作为测量响应，得到rd、rv和ra为：其中wi(xj)表示在对应第j个测量响应的位置处第i阶模态加速度的影响权重。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定载荷激励位置处各阶振型之间的比例关系时，对于连续系统，ti时刻的模态力矢量与真实载荷转换关系为：其中k为系统所受集中载荷的数量，fk(ti)表示第k个载荷在ti时刻的值，表示第k个载荷所作用的位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜金辉，王政树，郭欣睿，陈如彤，李靖，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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