基于应变信号的薄壁结构载荷识别与试验验证文献综述

 2023-08-08 04:08
  1. 文献综述（或调研报告）：

载荷识别最初开始于航空航天领域，在方法上主要分为频域法和时域法。其中频域法的研究较早，依据动态力谱，或计算模态力在频域内的动态特性，进行力的重构。Liu等人[1]则在常用方法受到病态频响FRF函数矩阵影响引起反演的不稳定的问题中，将TSVD滤波器、Tikhonov滤波器和常规LS方案结合提出了一种新的LS形式的Morozov差异原理，并针对小型FRF矩阵提出了总最小二乘TLS方案。时域法则是直接在时域内，对反卷积问题分析，目前也有了很好的发展。此外也有了其他如神经网络、小波分析、卡尔曼滤波方法等新方法。载荷识别通常是不适定问题，Sanchez和Bnaroya[2]认为当前解决不适定重构载荷的方法主要分为三类：直接方法，正则化方法和概率/统计方法。

传统的时域法是利用阶跃力假设的Duhamel积分，构建出载荷与响应的关系，再将所需识别的响应数据代入反求以得到输入载荷。1987年唐秀近[3]认为早期的动态力识别所采用的频响方法求解存在不稳定现象，提出了由动态响应不经动态力谱直接确定时间历程的时域方法，在时域内将多自由度系统的运动方程离散化，通过响应求得Duhamel积分逆解的近似解，并使用仿真实例验证说明具有良好的精度。1994-1995年初良成[4]和时战[5]等人提出了用正分析的手段来解决反问题，在实测自由度不少于待识别荷载自由度条件下，解决了识别精度受实测信息数限制的问题，用奇异值分解的方法，在系数矩阵秩亏时仍可以求得解，但其方法未考虑测量噪声干扰等影响识别精度的问题。1995年魏星原等人[6]提出时域内的逆系统方法，将载荷识别转变成正问题处理。1997年Law[7]等人将模态叠加模型用于受移动力的伯努利-欧拉梁，且可以通过结合使用弯矩和加速度测量来得到较好的解。2001年文祥荣[8]将钟万勰提出的精细逐步积分方法应用于载荷识别，推导了相应的积分公式并使用算例验证。2002年Adam和Doyle[9]结合一般有限元程序对控制方程递归重构，能够得到基于实验测量响应确定力的方法，并用加速度和应变数据重构了受冲击的壳体和板的力，以证明方法的可扩展性。2006年Lu和Law[10]提出在时域中计算响应对于输入力的灵敏度，并用于在逆分析中更新已识别的力，并发现测量噪声和建模误差对力的识别可以忽略，在钢梁受正弦激励的实验中效果很好。2007年Uhl[11]认为通用交叉验证方法、动态规划技术和Tikhonov方法是最有用的三种解决病态问题的方法，在实验室设备上进行测试分析，并可以应用于铁路设备测试中接触力的间接测量。2008-2009年Jiang和Hu[12][13]提出了模态选择和分布动载荷的一直空间表达的思想，重构了无阻尼欧拉梁上的动载荷，在边界附近的识别效果有所改善。随后他们又用相似方法对薄板上的分布动载荷进行了识别。2012年秦远田[14]用正交基函数表示需识别的移动载荷，从而转化为识别正交基函数系数，该方法对结构的有限元模型要求高，直接影响到识别精度。2014年常晓通、闫云聚[15]等人提出了基于Morozov相容性原理的一种新的选取正则化参数的准则进行载荷识别。2016年Qiao等人[16]针对基于l2范数的经典函数展开方法难于确定基函数最佳数量的问题，利用基空间力的稀疏性，提出了基于基函数系数向量的最小l1范数的稀疏正则化方法，并提出可分离近似的稀疏重构以解决力识别的稀疏正则化，在悬臂板实验中证实了有效性。2016年Liu等人[17]提出了时域Galerkin方法，有效解决荷载重构的不适定矩阵，此外相比传统格林核函数方法，该法有效克服了噪声影响并提高识别的准确性。Kazemi等人[18]基于无网格径向节点插值方法改进版本，提出用于二维粘塑性载荷识别方法，且载荷可随时间空间变化。周玙等人[19]提出了基于应变的载荷识别方法，并在重构梁受瞬态载荷的实验中有较好精度。

现代信号处理的发展令小波分析方法也得到应用。J.F.Doyle[20]使用与Fourier分析相似的小波分析方法，通过梁板模型的加速度响应进行载荷重构。赵玉成[21]利用了小波正交算子的信息压缩的性质，使用小波正交算子变换法，可以较好地处理由于高阶模态信息贡献的截断对识别精度的影响问题。而Ma等人[22]使用具有递归估计器的Kalman滤波器，较好重构沿单轴运动结构的未知冲击荷载。Guo等人[23]提出对无状态Kalman滤波器改进，提出了用于滞后非线性结构的力估计方法。

参考文献：

  1. Y Liu，W S Shepard Jr．Dynamic force identification based on enhanced least squares and total least-squares schemes in the frequency domain[J]．Journal of Sound and Vibration，2005，282（2005）：37-60
  2. J Sanchez，H Bnaroya，Review of force reconstruction techniques[J]．Journal of Sound and Vibration，2014，333（2014）：2999-3018
  3. 唐秀近．动态力识别的时域方法[J]．大连工学院学报，1987，26（4）：21-27
  4. 初良成，曲乃泗，乌瑞峰．动态载荷识别的时域正演方法[J]．应用力学学报，1994，11（2）：9-18
  5. 时战，许士斌，初良成等．利用脉冲响应函数识别载荷的时序法[J]．振动工程学报，1995，8（3）：235-242
  6. 魏星原，宋斌，郑效忠．载荷识别的逆系统方法[J] ．振动、测试与诊断，1995，15（3）：35-43
  7. S S Law，T H T Chan，Q H Zeng．Moving force identification: a time domain method[J]．Journal of Sound and Vibration，1997，201（1）：1–22
  8. 文祥荣，智浩，孙守光．结构动态载荷识别的精细逐步积分法[J]．工程力学，2001，18（4）：117-122
  9. R Adam，J F Doyle．Multiple force identification for complex structures[J]．Experimental Mechanics，2002，42（2002）：25-36
  10. Z R Lu，S S Law．Force identification based on sensitivity in time domain[J]．Eng. Mech.-T ASCE，2006，132（2006）：1050- 1056
  11. T Uhl．The inverse identification problem and its technical application[J]．Arch Appl Mech，2007，77（2007）：325-337
  12. X Q Jiang, H Y Hu．Reconstruction of distributed dynamic loads on an Euler beam via mode-selection and consistent spatial expression[J]．Journal of Sound and Vibration，2008，316（2008）：122–136
  13. X Q Jiang, H Y Hu．Reconstruction of distributed dynamic loads on a thin plate via mode-selection and consistent spatial expression[J]．Journal of Sound and Vibration，2009，323（2009）：626–644
  14. 秦远田，陈国平，张方．二维分布动载荷识别的矩量方法[J]．振动、测试与诊断，2012，32（1）：34-41
  15. 常晓通，闫云聚，刘鎏．基于Green函数和正则化的动态载荷识别方法[J]．振动测试与诊断，2014，34（1）：124-129
  16. B Qiao，X Zhang，C Wang，et al．Sparse regularization for force identification using dictionaries[J]．Journal of Sound and Vibration，2016，368（2016）：71-86
  17. J Liu，X Meng，C Jiang，et al．Time-domain Galerkin method for dynamic load identification[J]．Int. J. Numer. Methods Eng. ，2016，105（2016）：620-640
  18. Z Kazemi，M R Hematiyan，Y C Shiah．An efficient load identification for vicoplastic materials by an inverse meshfree analysis[J]．International Journal of Systems Science，2018，136（2018）：303-312
  19. 周玙，刘莉，周思达．基于应变模态参数的结构瞬态载荷识别方法研究[J]．振动与冲击，2019，38（6）：199-205
  20. James F Doyle．A wavelet deconvolution method for impact force identification[J]．Experimental mechanics，1997，37（4）：403-408
  21. 赵玉成，袁树清，李舜酩，许庆余．动态载荷的小波正交算子变换识别法[J]．机械强度，1998，20（2）：127-131
  22. C K Ma，P C Tuan，D C Lin，C S Liu．A study of an inverse method for the estimation of impulsive loads[J]．International Journal of Systems Science，1998，29（6）：663-672
  23. L N Guo，Y Ding，Z Wang，et al．A dynamic load estimation method for nonlinear structures with unscented Kalman filter[J]．Mechanical Systems and Signal Processing，2018，101（2018）：254-273

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