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基于光纤光栅测量的时变结构动力学系统模态参数辨识研究

周思达  刘莉  
【摘要】:随着航天器应用领域的不断拓展,为充分掌握航天器结构特性,摸清设计边界,越来越迫切的需要考虑结构参数(质量、刚度和阻尼)的时变特性,如运载火箭燃料消耗中的质量特性、空间航天器帆板展开中的刚度及质量分布特性、高速飞行器气动加热中的结构材料特性(刚度和阻尼)等。模态参数可表征动力学系统的基本特性,是结构动力学设计、结构响应分析、动力学控制、结构健康监测的重要工具。然而,传统通过加速度计测量完成的实验模态分析无法完全满足工作状态下航天器结构模态参数辨识的应用需求,如加速度计附加质量大、同轴电缆的抗干扰能力弱、大尺度空间下的并联布线等。然而,光纤光栅传感技术的日臻成熟为解决这一应用难题提供了可能,其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、可实现远程传输及分布式测量,并且信号的精度几乎不受传输距离影响的优势,十分适合工作状态下航天器结构模态参数辨识。本文以工作状态下的时变结构模态参数辨识为研究对象,主要关注在光纤光栅应变测量条件下的时变结构应变模态模型、时变结构模态参数辨识方法等,为基于光纤光栅测量的航天器工作状态时变结构模态参数辨识提供理论支持。具体有:(1)以频域的右分式矩阵分式多项式为基础,结合结构应变模态模型,将其拓展到"时频域",构造时频域右矩阵分式多项式应变/应变时间相关功率谱(自、互谱矩阵)的参数化模型;(2)提出时频域的最大似然参数估计方法,以及应变模态参数计算方法;(3)通过"移动质量梁"时变结构动力学实验系统完成所提方法的实验验证。

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