楊 凱 黃金晶 王嘉卿

上海海事大學(xué)工程訓(xùn)練中心 上海 201306

0 引言

模態(tài)參數(shù)對(duì)港口起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)的減振、抗振設(shè)計(jì)具有非常重要的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)模態(tài)測(cè)試方法激勵(lì)起港口起重機(jī)大型結(jié)構(gòu)較困難，且激勵(lì)很難測(cè)量，在得到準(zhǔn)確輸入與輸出方面有很大局限性，已成為港口起重機(jī)發(fā)展的障礙。在港口起重機(jī)領(lǐng)域，使用時(shí)域信號(hào)準(zhǔn)確識(shí)別其結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)是迫切需要解決的問(wèn)題。大型港口起重機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需測(cè)點(diǎn)數(shù)較多，對(duì)采集儀通道數(shù)和傳感器數(shù)量的要求較大，測(cè)試難度大，成本高，這也是當(dāng)今大型港口起重機(jī)測(cè)試的一項(xiàng)難點(diǎn)。

使用擴(kuò)展的隨機(jī)減量技術(shù)與ITD法相結(jié)合的RDT/ITD結(jié)合法識(shí)別環(huán)境激勵(lì)下港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，使用運(yùn)行狀態(tài)模態(tài)分析技術(shù)（OMA），識(shí)別大型港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，以克服傳統(tǒng)模態(tài)測(cè)試方法的不足。運(yùn)用移動(dòng)測(cè)點(diǎn)法進(jìn)行試驗(yàn)，以少量的傳感器以及有限的通道數(shù)測(cè)試大型港口起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)，這種方法為解決通道數(shù)和傳感器不足提供一個(gè)實(shí)例依據(jù)。

1 工況描述及有限元分析

1.1 工況描述

以JAJ-15t-37.25mA4型岸邊集裝箱起重機(jī)為研究對(duì)象，在自然環(huán)境下（地處海邊，有較明顯的風(fēng)載荷激勵(lì)）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。該機(jī)起升高度為23.0 m，工作級(jí)別為A4，主梁形式為桁架雙主梁，單小車形式。

1.2 有限元分析

整機(jī)有限元模型如圖1所示。利用Ansys建立港口起重機(jī)模型，并使用模態(tài)分析模塊進(jìn)行模態(tài)分析，得到模態(tài)分析結(jié)果。前五階固有頻率及振型描述見(jiàn)表1。

圖1 整機(jī)有限元模型

表1 大梁不同階次的振型描述

2 擴(kuò)展RDT/ITD港機(jī)模態(tài)識(shí)別

2.1 試驗(yàn)方案

港口起重機(jī)模態(tài)試驗(yàn)采用頻率范圍為0.17～100 Hz的941B超低頻拾振器，采用INV3062C數(shù)據(jù)采集儀采集起重機(jī)振動(dòng)信號(hào)，用DASP分析軟件進(jìn)行信號(hào)分析。

港口起重機(jī)大梁結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)共85.30 m，對(duì)其進(jìn)行7等分得到共8個(gè)截面的16個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。由于起重機(jī)主梁縱向影響較小，可暫不考慮，只考慮垂向和橫向，共4×8＝32測(cè)量通道數(shù)，同一截面的2個(gè)測(cè)點(diǎn)都要考慮2個(gè)方向，主梁結(jié)構(gòu)部分振型會(huì)存在扭轉(zhuǎn)形式，同時(shí)測(cè)量同一截面2個(gè)測(cè)點(diǎn)可實(shí)際反映出主梁的扭轉(zhuǎn)振型形式。

圖2 港口起重機(jī)大梁結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置

在實(shí)際測(cè)試中，經(jīng)調(diào)試采集儀共7個(gè)通道數(shù)可用，具體方案為：確定一個(gè)固定參考點(diǎn)，使用7個(gè)低頻拾振器，在16個(gè)擬定的測(cè)點(diǎn)，分別在起重機(jī)橫向（X）和垂向（Y），在同一參考點(diǎn)下進(jìn)行分批次移動(dòng)測(cè)試。

為防止選取固定參考點(diǎn)時(shí)，所選參考點(diǎn)為結(jié)構(gòu)的振型節(jié)點(diǎn)，故選取整個(gè)結(jié)構(gòu)的前端點(diǎn)1（X）和1（Z）為每次移動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)的固定參考點(diǎn)，通過(guò)多次移動(dòng)其他傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)整體主梁模態(tài)的測(cè)試（見(jiàn)表2），每組試驗(yàn)的采樣時(shí)間為1 800 s。

表2 主梁測(cè)試方案

1號(hào)測(cè)點(diǎn)（即固定參考點(diǎn)）低頻拾振器安裝情況如圖3，低頻拾振器采用磁鋼吸附在測(cè)點(diǎn)位置，垂向的測(cè)試采用垂直類型的低頻拾振器，橫向的測(cè)試采用水平類型的低頻拾振器。

圖3 1號(hào)測(cè)點(diǎn)（固定參考點(diǎn)）低頻拾振器安裝情況

2.2 RDT/ITD模態(tài)參數(shù)識(shí)別

由于實(shí)驗(yàn)方案采用了移動(dòng)測(cè)點(diǎn)法的測(cè)試方法，需要經(jīng)過(guò)多批次進(jìn)行測(cè)試采樣，這就形成了多種工況下的測(cè)試信號(hào)，不同批次的振動(dòng)信號(hào)外界條件不一樣，卻有相同的參考點(diǎn)。所以，在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，將不同工況下的振動(dòng)信號(hào)分批次處理分析，然后基于參考點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。將每一批次的測(cè)點(diǎn)相同方向的進(jìn)行同時(shí)處理分析，即同一批次橫向測(cè)點(diǎn)的信號(hào)處理分析一次，參考點(diǎn)為參考點(diǎn)橫向的測(cè)試信號(hào)；同一批次的垂向測(cè)點(diǎn)信號(hào)處理分析一次，參考點(diǎn)為參考點(diǎn)垂向的測(cè)試信號(hào)。

按照上述分析方案，將實(shí)驗(yàn)所得各測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形信號(hào)輸入Matlab中，用隨機(jī)減量法程序進(jìn)行分析處理，得到隨機(jī)減量函數(shù)，即自由響應(yīng)函數(shù)。圖4是測(cè)點(diǎn)16隨機(jī)減量法處理后得到的自由響應(yīng)函數(shù)圖像。

圖4 測(cè)點(diǎn)16RDT處理后得到的自由響應(yīng)函數(shù)

為檢驗(yàn)隨機(jī)減量處理后抽取的信號(hào)是否仍具有原信號(hào)的頻譜特性，在此對(duì)原信號(hào)和隨機(jī)減量處理后的信號(hào)做功率譜分析，測(cè)點(diǎn)16的信號(hào)隨機(jī)減量處理前后功率譜如圖5所示。

圖5 信號(hào)隨機(jī)減量處理前后功率譜

由圖5可知，隨機(jī)減量技術(shù)處理后的信號(hào)與原始信號(hào)的頻譜峰值處于同一頻率范圍內(nèi)，并未出現(xiàn)虛假頻率。所以，隨機(jī)減量信號(hào)保證的處理后信號(hào)的能量分布與原始信號(hào)一致，保留了原始信號(hào)的頻譜特性。

通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)采取延時(shí)采樣，可得到虛擬測(cè)點(diǎn)，構(gòu)建響應(yīng)矩陣，然后根據(jù)響應(yīng)矩陣求解結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。ITD識(shí)別方法的擬合曲線與原始自由響應(yīng)信號(hào)擬合圖如圖6所示。由圖6可知，識(shí)別擬合效果較好，擬合曲線與原始信號(hào)比較并未出現(xiàn)遺漏擬合或虛假擬合。對(duì)不同批次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依次進(jìn)行識(shí)別，得到表4所示模態(tài)頻率識(shí)別結(jié)果。由表4可知，頻率識(shí)別結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差較小，識(shí)別值得數(shù)據(jù)浮動(dòng)不大，頻率識(shí)別結(jié)果較可靠。港口起重機(jī)模態(tài)阻尼識(shí)別結(jié)果如表5所示。

圖6 擬合曲線與原始自由響應(yīng)信號(hào)擬合圖

表4 港口起重機(jī)模態(tài)頻率識(shí)別結(jié)果

表5 港口起重機(jī)模態(tài)阻尼識(shí)別結(jié)果

由表5可知，阻尼識(shí)別值的標(biāo)準(zhǔn)差也在允許范圍內(nèi)，與頻率識(shí)別值得標(biāo)準(zhǔn)差相比，數(shù)據(jù)浮動(dòng)稍大，數(shù)據(jù)在可接受范圍內(nèi)。

2.3 港機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別結(jié)果比較

除了考慮使用隨機(jī)減量法對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理分析，然后再進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別外，為比較識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文使用DASP V11模態(tài)分析軟件，運(yùn)用時(shí)域模態(tài)參數(shù)識(shí)別較為成熟的隨機(jī)子空間法（SSI）以及poly-IIR法，同時(shí)對(duì)本實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析。這3種方法的模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 各方法識(shí)別港及結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)值

由表6可知，隨機(jī)子空間法（SSI）、poly-IIR、RDT/ITD法所識(shí)別的模態(tài)頻率值與有限元模型計(jì)算的理論值之間的誤差都在10%以內(nèi)，這3種識(shí)別方法所識(shí)別出的頻率值相差不大，接近港機(jī)實(shí)體的真實(shí)模態(tài)值。

由表7可知，這3種方法頻率值的識(shí)別結(jié)果相差不大，說(shuō)明這3種方法所識(shí)別出的頻率值基本吻合，RDT/ITD法識(shí)別出的頻率值與SSI法、poly-IIR法一樣有相當(dāng)高的可信度。在阻尼識(shí)別方面，雖然吻合性不像頻率值那么高，但具有相同的走勢(shì)，且識(shí)別值處于一定范圍內(nèi)，尚可接受，仍有提升空間。

表7 有限元計(jì)算值與各方法結(jié)果比較分析

3 結(jié)論

1）利用RDT/ITD結(jié)合算法識(shí)別的港及結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果與SSI和poly-IIR法識(shí)別結(jié)果具有一致性。

2）利用RDT/ITD結(jié)合算法識(shí)別大型結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)具有可行性。

3）RDT/ITD結(jié)合識(shí)別法所識(shí)別的頻率值可靠度很好，對(duì)于阻尼的識(shí)別還存在一定的誤差。

本次實(shí)驗(yàn)也證明了使用移動(dòng)測(cè)點(diǎn)法代替多測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量在大型港口機(jī)械模態(tài)測(cè)試中的可行性。