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1、大型泵站站压力管管道流激激振动分分析与损损伤识别别研究项目研究究报告承担单位位：甘肃肃省景泰泰川电力力提灌管管理局参加单位位：华北北水利水水电大学学兰州理工工大学二O一三三年六月前 言前 言为满足人人们的生生存需要要以及经经济发展展和农业业需求，自自新中国国成立以以来，建建成了很很多提灌灌工程，产产生了巨巨大的综综合效益益，为当当地老百百姓带来来了巨大大的实惠惠。长期期以来，为为保证这这些提灌灌工程的的正常运运行和人人们的正正常生活活，国家家对提灌灌工程（尤尤其是大大型提灌灌工程）在在政策与与资金等等各方面面都给予予了大力力的支持持。甘肃肃省景泰泰川电力力提灌工工程（以以下称“景电工工程”）长
2、期期以来一一直享受受0.004元/Kwh的远低低于成本本价的电电价保证证提灌用用电，正正是这一一系列的的扶助与与支持，使使得景电电提灌工工程自建建成以来来，产生生了巨大大的综合合效益，为为当地老老百姓带带来了巨巨大的实实惠，同同时对区区域生态态环境的的改善也也做出了了巨大的的贡献。景电工程程就其扬扬程、流流量、装装机容量量、多梯梯级综合合评价，被被誉为“中华之之最”。经过过40多年年的运行行管理，工工程产生生了显著著的社会会效益、经经济效益益和生态态效益。但同时由于长时间负荷运行，景电工程大部分泵站在实际运行中均存在严重的管道振动问题，特别是在同一泵站中多台机组共用一支管路的情况下，其运行过程
3、中的管道振动问题尤为突出。这些振动主要表现为高频率、大振幅、噪声大，对泵站的安全运行形成了明显的威胁。在实地测试中，景电工程各泵站压力管道在水泵开、停机瞬间和流量变化时的振动尤为突出。若管道长期振动，会产生疲劳破坏，严重情况下就有可能造成结构损伤，对设备的安全和寿命有影响，甚至结构功能会失效。另外，针对景电工程大型泵站内的压力管道的激振测试和振动模态监测研究，由于资金、观念、技术等方面的原因，一直没有开展，对泵站压力管道振动级别亦没有清楚的认识和深入的研究。为有效解解决大型型泵站压压力管道道的振动动问题，防防止由此此引发的的事故影影响工程程效益的的发挥，对对景电灌灌区各级级泵站的的压力管管道流
4、激激振动分析析与损伤伤识别做出出科学的的评价，景景电管理理局委托托华北水水利水电电大学和兰兰州理工工大学开开展了本本项目的的研究。本课题是是针对我我国大型型梯级泵泵站工程程压力管管道系统统普遍存存在的振振动问题题、噪音音问题、输输水能耗耗过高、水水泵提水水效率偏偏低等问问题开展展的应用用型研究究，是以以研究影影响大型型梯级泵泵站压力力管道振振动的主主要因素素和探求求压力管管道系统统结构损损伤机理理的关键键技术为为主要任任务的。研究的主主要目的的：（11）通过过对大型型泵站压力力管道实实际运行行数据的的监测分分析和现现场实验验，客观观地评价价大型梯梯级泵站站的压力力管道实实际振动动状态，为为大型
5、梯梯级泵站站压力管管道的振振动识辨辨提供必必要的支支持和参参考；（22）通过过泵站压压力管道道振动识识辨分析析，探寻寻泵站压压力管道道的振动动激励源源，为泵泵站压力力管道的的振动原原因分析析提供理理论依据据和技术术参考；（3）基基于泵站站压力管管道振动动识辨的的分析，建建立激励励源与响响应之间间的内在在关系，可可为避免免管道、水水流产生生共振提提供重要要的理论论分析基基础，同同时也能能为泵站更更新改造造设计和和安全运运行提供供必要地地理论依依据和技技术支撑撑；（44）通过过压力管管道振动动的辨识识，探究究压力管管道损伤伤机理，提提出管道道结构的的减振与与避振措措施，对对泵站管管道结构构的优化化
6、设计和和延长结结构的使使用寿命命提供技技术支持持；（5）通通过对泵泵站压力力管道的的振动模模态和流流固耦合合有限元元的分析析，探究究高扬程程泵站压压力管道道的振动动特点，为为管道结结构安全全级别的的判定提提供技术术支撑；（6）结结合景电电工程代代表性泵泵站压力力管道的的振动实实例监测测，探究究高扬程程泵站压压力管道道结构损损伤识别别的方法法和关键键技术，为为泵站管管道结构构的安全全预防提提供技术术支撑，并并可为我我国同类类工程的的建设和和安全运运行提供供可供参参考的理理论依据据及技术术手段。研究的主主要内容容：（11）采用用DASSP（DDataa Accquiisittionn & Sigg
7、nall Prroceessiing）测试系系统对泵泵站压力力管道的的振动特特性开展展原位测测试试验验，主要要内容包包括测试试对象选选定、试试验系统统设置、测测点布置置，现场场试验数数据信息息的采集与与分析；（2）针针对DAASP振振动测试试数据利利用数学学分析软软件MAATLAAB进行行小波降降噪分析析，然后后采用时时域分析析和频谱谱分析方方法对不不同工况况下压力力管道振振动的信信号数据据进行管管道振动动激励源源辨识，探寻管道振动振源的主频，判定激励源对管道振动模态的影响程度；（3）采用功率谱方法，分析管道振动的主要振源，研究相应的管道减振与避振措施，对泵站管道的优化设计和安全运行提供理论基
8、础和技术支持；（4）建立了基于附加水体质量的简化流固耦合有限元模型，研究不同流态下压力管道的振动特征，为管道的损伤识别提供技术支持；（5）建立统计模式的损伤识别模型，采用均值控制图的分析方法，诊断压力管道的激振损伤程度，为压力管道的优化设计提供理论依据。以下几方方面确保保了本课课题的可可行性：（1）国国内外的的现有研研究资料料可以为为本课题题的理论论分析提提供理论论基础；（2）甘甘肃省景景电工程程43座座泵站压压力管道道振动现现状和多多年泵站站运行管管理经验验可以为为本课题题的深入入研究提提供大量量的现场场资料和和实际经经验；（33）DAASP虚虚拟测试试、分析析振动仪仪器与FFLUEENT软
9、软件相结结合运用用于压力力管道振振动测试试及管道道内水流流流态分分析，为为本课题题提供了了技术支支持。本课题研研究工作作始于220100年9月月。课题题组在研研究过程程中，深深入分析析研究了了泵站压压力管道道流激振动动和损伤伤识辨的方方法，通通过对近近年来运运行数据据的整理理分析以以及DAASP对对泵站压压力管道道的振动动测试，研研究发现现：泵站站管道的的管网敷敷设不合合理、进进水流道道内流态态不稳定定、实际际过水量量与设计计输水量量工况不不匹配，管管道安装装初应力力过大等等原因，是是造成压压力管道道等过流流部件的的高频振振动和损损伤破坏坏的主要要原因。项目从大大型泵站站压力管管道的激激振源识
10、识别、振振动模态态和损伤伤机理等等方面入入手开展展研究、提提出了改改善管道道布置型型式、优优化镇墩墩约束、优优选管径径和材质质等管道道的减振振技术措措施。通通过采用用DASSP原位位振动测测试和信信号分析析，探究究了泵站压压力管道道的振动机机理，提提出了消消除管道道系统的的激振力力、提高高结构的的刚度、减减小结构构的振幅幅，增加系系统的结结构阻尼尼等一系系列科学学、有效效、合理理的降噪噪减振技技术措施施。实际应用用表明，本本项目所所提出的的泵站压压力管道道减振措措施能够够有效解解决泵站站压力管管道在运运行中的的高频大大幅度振动动问题，提提高泵站站运行的的安全可可靠性，延延长压力力管道的的使用寿
11、寿命，减减少维护护费用，提提高工程程效益。本课题的的研究具具有较强强的针对对性和前前瞻性。课课题的研研究结论论一方面面对于保保障大型型泵站压压力管道道结构的的安全运运行具有有重大的的现实意意义，另另一方面面可为大大型泵站站压力管管道系统统的优化化设计提提供重要要的理论论依据和和技术支支撑；也也可为现现有同类类工程的的更新改改造提供供科学实实用的新新技术。因因此，大大型泵站站压力管管道振动动识辨与与损伤机机理研究究既有服服务于正正在运行行工程高高效使用用的现实实意义，又又有指导导待建工工程进行行合理设设计的理理论意义义。项目在执执行过程程中，得得到了甘甘肃省水水利厅和和各参研研单位的的大力支支持
12、。两两年多来来，经课课题组全全体同志志的努力力，研究究任务已已全部完完成，并并于20012年111月10日通过委委托单位位验收，部部分成果果已直接接应用到到工程设设计和改改造中，达达到了科科研服务务于工程程建设的的目的。大型泵泵站压力力管道流流激振动动分析与与损伤识识别研究究课题组二O一二二年十二二月IV目 录目 录1研究背背景和意意义12国内外外的研究究现状552.1输输水管道道振动研研究发展展历史552.2 流激振振动国内内外研究究现状662.3国国内外模模态参数数辨识与与损伤诊诊断的研研究现状状82.3.1国外外模态参参数辨识识与安全全控制的的研究现现状82.3.2国内内模态参参数辨识识
13、与安全全控制的的研究现现状93研究内内容、主主要研究究方法和和技术路路线1223.1研研究目的的123.2主主要研究究内容1123.3主主要研究究方法1143.4技技术路线线一五3.5关关键技术术及创新新点1664泵站压压力管道道现场试试验1774.1压压力管道道振动试试验测试试系统设设计1774.1.1 传传统振动动测试方方法1774.1.2 DDASPP软件介介绍一八八4.1.2实验验对象1194.1.3 系系统组成成与工作作流程2224.2拾拾振器测测点布置置234.2.1 拾拾振器的的选型2234.2.2 拾拾振器的的布置原原则2444.2.3 测测点布置置254.3 试验工工况288
14、4.4数数据采集集及参数数设定2284.4.1 基基本操作作284.4.2 数数据采集集295波形输输出与信信号去噪噪335.1 所需工工况3335.2时时域波形形输出3345.2.1 编编辑滤波波355.2.2 时时域波形形图导出出355.3 小波应应用3775.3.1 小小波去噪噪原理3375.3.2噪声声信号的的小波分分析特性性385.3.3一维维离散信信号降噪噪405.4 MATTLABB小波信信号去噪噪405.5小小结4226激励源源分析4436.1振振源分析析436.1.1 水水流激励励引起的的振动4436.1.2 离离心泵等等机械原原因引起起的振动动446.1.3 电电磁干扰扰引
15、起的的振动4456.2 激励源源分析4456.2.1 44#机开机机过程4456.2.2进水水瞬间4476.2.3 44#机稳定定运行4486.2.4 88#机稳定定运行4496.2.5 工工况四44#机停机机过程5506.3 主频分分析5116.3.1低频频516.3.2中频频526.3.3高频频及倍频频536.4 主要振振源分析析536.4.1 分分析方法法536.4.2 功功率谱分分析计算算566.5减减振方案案596.5.1机械械振动的的减振措措施5996.5.2水流流激励的的减振措措施6006.6小小结6117模态参参数辨识识分析6627.1时时域波形形输出6627.1.1 试试验工
16、况况627.1.2 波波形输出出627.2模模态参数数辨识分分析6667.2.1 模模态拟合合667.2.2 模模态频率率与阻尼尼比6997.2.3 振振型及激激振特点点分析6697.2.4 振振型相关关矩阵校校验7227.3 小结7228 泵站站压力管管道流固固耦合的的有限元元仿真分分析7448.1 ANSSYS软软件在模模态分析析中的应应用7448.1.1 AANSYYS模态态分析方方法7448.1.2 流流固耦合合控制方方程7558.2 建立有有限元模模型7888.2.1 问问题描述述788.2.2 边边界约束束条件7798.2.3 计计算工况况808.2.4 附附加水体体质量8818.
17、3 模态仿仿真分析析838.3.1 开开停机工工况8338.3.2 正正常运行行工况9928.4 激振特特点分析析10008.5 小结10019 基于于统计模模式识别别的管道道损伤检检测10039.1 统计模模式损伤伤识别的的基本原原理10039.2 基本方方法与步步骤10069.2.1 数数据采集集与预处处理10079.2.2 建建立统计计模型11079.2.3 特特征提取取和选择择11119.2.4 分分类判别别11229.3 均值控控制图检检验11129.3.1 均均值控制制图的原原理11129.3.2 均均值控制制图的优优点1一一三9.3.3 均均值控制制图指标标构造11149.4 数
18、值模模拟验证证11449.4.1 建建立识别别模型11一五9.4.2 识识别结果果11669.5小小结1一一八10研究究结论及及成果应应用111910.11研究结结论111910.22成果应应用122011存在在的主要要问题和和建议1123IV大型泵站压力管道流激振动分析与损伤识别研究报告1研究背背景和意意义为满足人人们的生生存需要要以及经经济发展展和农业业需求，自自新中国国成立以以来，建建成了很很多提灌灌工程，产产生了巨巨大的综综合效益益，为当当地老百百姓带来来了巨大大的实惠惠。据统统计，沿沿黄河有有大中型型抽黄水水泵111万台套套，总容容量约3340万万kw，这这些泵站站和提水水设备大大多
19、为上上世纪六六十至七七十年代代兴建。从从19880年开开始，黄黄河上的的灌溉用用泵以每每年2万万台，装装机容量量4050万万kw的的速度增增加。这这些工程程总扬程程可高达达40008000m，单单级泵的的扬程达达80一八22m。长长期以来来，为保保证这些些提灌工工程的正正常运行行和人们们的正常常生活，国国家对提提灌工程程（尤其其是大型型提灌工工程）在在政策与与资金等等各方面面都给予予了大力力的支持持。随着我国国电力提提水设备备和引水水灌溉技技术的发发展，在在我国西西北地区区建成了了许多高高扬程输输水泵站站及扬水水灌区，例例如甘肃肃省景泰泰川电力力提灌工工程，白白草塬高高扬程灌灌区工程程和东雷雷
20、抽黄高高扬程多多级抽水水灌区工工程等。这这些高扬扬程输水水泵站和和灌区的的出现和和发展，创创造了巨巨大的经经济效益益、生态态效益和和社会效效益，所所以保证证高扬程程输水泵泵站的安安全稳定定运行也也是我国国现代化化建设和和水利事事业长足足发展的的重要任任务。然然而建国国以来，经经过几十十年来的的生产运运行，这这些高扬扬程泵站站都存在在着不同同程度的的安全隐隐患，甚甚至有些些泵站发发生了事事故。据据不完全全统计，全全世界每每年因管管道振动动而造成成的经济济损失高高达数百百亿美元元。在国国内，这类事事故也造造成了人人员生命命和经济济财产的的巨大损损失。因因此，开开展高扬扬程输水水泵站压压力管道道流激
21、振振动的机机理与损损伤识别别研究，正正是泵站站管道振振动响应应的水工工结构损损伤诊断断与健康康监测研研究的重重要内容容，本课课题的研研究对于于保障大大型泵站站压力管管道结构构的安全全运行具具有重大大的现实实意义，同同时可为为大型泵泵站压力力管道系系统的优优化设计计提供重重要的理理论依据据和技术术支撑。高扬程输输水泵站站是我国国现代化化建设的的基础性性设施。泵泵站扬程程可达几几百米，管管道压力力较大，管管道结构构的动态态特性对对整个泵泵站工作作安全起起着至关关重要的的作用，而而结构的的安全可可靠性与与结构特特性参数数密切相相关，特特别是在在振动设设计及损损伤检测测方面，对对系统参参数的识识别是相
22、相当重要要的。目目前，国国内外对对高扬程程泵站压压力管道道的振动动特性研研究文献献并不多多见，其其研究内内容主要要集中在在普通输输流管道道和泵站站输油管管道振动动的模态态分析。因因此，开开展高扬扬程泵站站压力管管道的振振动特性性研究就就显得相相当重要要，其研研究理论论和技术术手段都都可以为为今后高高扬程泵泵站压力力管道的的设计工工作和安安全运行行提供有有益的参参考和借借鉴。尤尤其对于于输水压压力管道道，除外外界因素素产生的的振动外外，研究究管道系系统内部部引发的的振动是是当今的的研究热热门。随随着科学学技术的的发展，在在一些高高端科技技领域，减减振降噪噪已成为为关键问问题。因因此，开开展管道道
23、振动识辨辨和结构构损伤识识别的研研究具有有很高的的理论研研究价值值，也具具有重要要的现实实意义和和广阔的的应用前前景，同同时也面面临着诸诸多很有有挑战性性的问题题。本研究课课题是以以甘肃省省景泰川川电力提提灌工程程大型泵泵站更新新改造新新技术研研发项目目为依托托，以景景泰川电电力提灌灌工程（以以下简称称“景电电工程” ）一期期、二期期泵站代代表性的的压力管管道为研研究对象象，通过过现场管管道实地地测试、数数据信号号采集，展开对对景电提提灌工程程泵站压压力管道道振动识识辨、管管道结构构安全判判别和结结构损伤伤识别的的研究，以此来来判定流激激振动对对管道振振动的影影响程度度，提出出相应的的减振措措
24、施。甘肃省景景泰川电电力提灌灌工程是是一项跨跨省区、跨跨流域、高高扬程、高高耗能、多多梯级、大大流量的的大型水利利电力提提灌工程程，有泵泵站433座，总总装机225.997万kkw，控控制灌溉溉面积6666667hmm2， 灌区区横跨甘甘肃景泰泰、古浪浪两县，北北倚腾格格里沙漠漠，东临临黄河，南南靠长岭岭山。景电工工程运行行40多多年来，产产生了显显著的经经济效益益、社会会效益和和生态效效益，已已成为甘甘肃省农农业科技技示范、发发展“两两高一优优”农业业、全面面建设小小康社会会的示范范基地，成成为甘肃肃省扶贫贫开发的的典范、水水利建设设史上的的一面旗旗帜。但是，由由于工程程长期负负载运行行，很
25、多多泵站的的混凝土土预应力力管道运行行中常存存在着窜窜动、噪噪音大和和振动幅幅度超标标的等问题。这这些振动动不仅对水流流的流态态和管内内的压力力分布产产生影响响，当水水流运动动受到管管道振动动影响后后，其流流态和压压力分布布的变化化又会反反作用于于管道，形形成振动动的相互互作用。因因此，压压力管道道的振动动不仅会会直接影影响整个个泵站输输水管路路的安全全运行，而而且由于于振动原原因造成成的管道道流速和和压力分分布不均均匀会增增加阻力力损失，从从而改变变水泵的的工作特特点，使使管路效效率和装装置效率率下降，增增加能量量损耗。本课题以以景电工工程代表表性的泵泵站的压压力管道道作为研研究对象象，针对
26、对管道运运行过程程中噪声声大，振振动幅度度大，对对工程的的安全运行行存在严严重威胁胁的问题题，于220100年100月至220111年111月间，先先后分别别两次对对景电工工程一期期二泵站站、二期期三泵站站、二期期六泵站站及南干干三泵站站的提水水压力管管道的振振动模态态进行了了实地测测试。针对目前前高扬程程泵站压压力管道道结构振振动特性性的研究究还不够够完善，没没有形成成完整的的理论体体系等现现状，本本课题的的研究可可解决泵泵站压力力管道与与水流耦耦合作用用所产生生的振动动特点以以及对泵泵站压力力管道结结构安全全判定等等问题，并并能提出出泵站压压力管道道振动分分析的流流固耦合合的建模模思想，以
27、以及高扬扬程泵站站压力管管道工作作模态分分析的新新方法和和基于统统计模式式信息的的压力管管道结构构安全判判定等新新的方法法。同时，本本课题的的研究也也有助于于解决诸诸如景电电工程这这样的大大型泵站站普遍存存在的严严重的管管道振动动对结构构影响的的安全隐隐患，为为泵站工工程的更更新改造造设计和和安全运运行提供供必要的的理论依依据和技技术支撑撑，为同同类高扬扬程泵站站压力管管道的建建设、维维护、安安全运行行提供重重要的理理论和技技术参考考，做出出有益探探究。因因此，课课题的研研究对推推进这一一理论体体系和技技术手段段的完整整性具有有很强的的针对性性和前瞻瞻性，具具有重大大的理论论意义和和服务于于实
28、际生生产的现现实意义义。32国内外外的研究究现状国内外学学者的长长期研究究表明，大大型泵站站的压力力管道中中振动源源可能是是多方面面的，管管道系统被激励励时，发发生水流流流速或或压力脉脉动，引引起结构构振动，并并通过阀阀门、弯弯管等连连接件，使使整个管管道中存存在多种种振动波波，振动动机理非非常复杂杂。2.1输输水管道道振动研研究发展展历史对于管道道的振动动研究，至至今已有有一百多多年的历历史，国国内外许许多学者者对管道道的振动动问题进进行了长长期的研研究。由由于这一一系统为为耦合系系统，其其振动引引发因素素复杂，很很难用一一个单一一的定理理去解决决各种管管道系统统出现的的振动问问题。管管道振
29、动动研究的的内容广广泛，包包括：管管道振动动特性分分析；管管道系统中不同同组件如如弯管、阀阀、支承承等对管管系的影影响；管管道系统统建模等等。作为为更深入入的问题题，还包包含由管管内流体体的影响响而存在在的流固固耦合现现象等，其其研究经经历了几几个典型型的阶段段，见图图2-1所所示。输水直管管道振动非耦合线性运动耦合非线性运动不考虑流固耦合考虑流固耦合管道系统建模混沌数值分析管道振动测试工程实际应用管道振动模态组件对管系的影响方法图2-11 输水水管道振振动研究究进程近年来，为为满足城城市供排排水、水水利电力力、航天天航空等等领域的的发展需需要，国国内外均均展开了了对管道道振动特特性和振振动机
30、理理的大量量研究，但但这些研研究目前前只限于于理论方方面，尚尚无法满满足实际际应用的的需求。最初的的研究是是来自横横跨阿拉拉伯输油油管道振振动的分分析，此此后由于于应用领领域的扩扩展和亟亟待解决决的问题题的突出出性引起起众多的的国内外外学者对对此研究究作出了了不懈努努力。对对管道振振动的研研究大致致经历了了无流固固耦合的的振动、线线性流固固耦合的的振动、非非线性流流固耦合合的振动动和混沌沌几个发发展阶段段。2.2 流激振振动国内内外研究究现状（1）国国外研究究现状：20世世纪700年代，关关于管道道振动的的研究取取得了大大的进展展，并应应用计算算机，使使管道振振动的研研究进入入实用性性阶段。在
31、在输流管管道非线线性振动动的研究究中，JJin等等发现当当流速较较大、弹弹性支承承刚度很很小时，悬悬臂直流流管道有有可能发发生颤振振而动态态失稳，且且混沌运运动也有有可能发发生。在在气液两两相流管管道系统统中，激激振力常常出现在在流体转转向处，如如弯头、肘肘管、三三通处。Hara研究了两相流动引起的管道振动问题，推导了两相流管道自由振动的运动方程，并且指出管道振动主要由离心力和振动系统质量改变而引起。Wood和Williams等对管道振动进行了理论和实验的双重性研究，确定管道运动对水击压力有着非常大的影响。（2）国国内研究究现状：国内对对管道振振动的研研究起步步较晚，在在20世世纪700年代中
32、中期，由由于管道道振动问问题受到到有关工工业和研研究单位位的密切切注视，才才开始投投入大量量精力开开展管道道振动机机理的理理论和实实验研究究。国内内管道振振动的研研究主要要集中在在各大高高校，针针对各自自的工作作领域做做了大量量的工作作。西安安交通大大学较早早在气流流脉动及及气流管管道振动动问题方方面作了了富有成成效的研研究。浙浙江大学学的蔡亦亦刚等教教授在管管道运输输流体动动力学方方面做了了比较系系统的研研究。哈哈尔滨工工业大学学的赵定定克等教教授主要要研究了了输水管管路中用用于衰减减或吸收收水流压压力脉动动的各种种设备和和装置。上上海交通通大学的的沈荣瀛瀛等教授授对管道道的振动动特性及及传
33、输特特性、能能量流等等方面进进行了研研究。天天津大学学闰祥安安等用有有限元法法建立了了往复泵泵输液管管网系统统结构振振动分析析模型，求求得了固固有频率率和振型型分布。但是，上上述的研研究多为为专题性性、理论论性和室室内实验验的研究究。针对对管道振振动的原原位测试试和振动动模态的的分析尚尚不多见见。在解解决实际际工程问题题时，需需要综合合考虑各各种因素素的影响响，借鉴鉴其成果果，才能能达到解解决生产产实际问问题的目目的。针对我国国大中型型高扬程程泵站压压力管道道振动问问题的研研究尚处处于起步步阶段，各各项技术术还不够够完善，没没有形成成完整的的理论体体系等现现状，本本课题应应用DAASP测测试系
34、统统开展大大型泵站站压力管管道的原原位测试试研究，通过对同类管道的振动性能的测试和数值模拟分析，以期实现压力管道振动模态的识别，建立损伤识别模型，探究损伤机理，提出管道的减振措施。所以本研究具有非常强的针对性和前瞻性。2.3国国内外模态态参数辨辨识与损损伤诊断断的研究究现状2.3.1国外外模态参参数辨识识与安全全控制的的研究现现状国外结构构工作模模态的研研究起始始于上世世纪600年代。由由于没有有相应的的计算工工具，其其起步相相对较晚晚。模态态分析是是以结构构的物理理数学模模型、参参数模型型和非参参数模型型为研究究对象的的，以振振动理论论分析为为基本原原理，分分析结构构振动模模态参数数的一种种
35、方法。现在，计算机的巨大进步为这一方法的迅速和发展普及提供了先进的技术支撑。理论模态态分析实实际上是是一种理理论建模模过程，它它以线性性振动理理论为基基础，研研究激励励、系统统、响应应三者的的关系。主主要方法法是运用用有限元元法建立立振动结结构的数数学模型型，运用用数值方方法求解解系统的的模态参参数。实实验模态态分析是是通过测测得激励励和响应应的时间间历程，经经过数字字信号处处理技术术得到系系统的非非参数模模型和采采用参数数识别方方法求得得系统模模态参数数。近些年来来，研究究人员提提出了很很多种环环境激励励下模态态参数识识别的方方法。如如时域识识别法、频频域识别别法、联联合时频频域识别别方法；
36、平稳随随机激励励、非平平稳随机机激励；单输入入多输出出、多输输入多输输出；时时间序列列法、随随机减量量法、随随机子空空间法、模模态函数数分解法法、峰值值拾取法法、频域域分解法法等。时间序列列法的基基本原理理是对采采集的数数据进行行有序排排列，然然后依据据数学模模型进行行自动处处理，辨辨识结构构的模态态参数。随随着其理理论的不不断发展展和完善善，其模模型有MMA滑动动均值模模型、ARMMA自回回归滑动动均值模模型、AR自自回归模模型等。管道结构构安全控控制的研研究主要要是基于于结构的的损伤识识别技术术。结构构损伤识识别技术术的水平平决定了了健康监监测系统统的性能能的高低低。结构构损伤识识别技术术
37、可分为为局部无无损检测测技术和和基于结结构振动动的整体体损伤识识别两大大类。其其中的结结构振动动的整体体损伤识识别研究究成就较较为突出出。依据据损伤识识别所使使用的数数学方法法将其划划分为基基于模型型的方法法和无模模型的方方法以及及基于统统计模式式信息的的方法三三大类。通过有限限元模型型仿真计计算的方方法来辨辨识结构构的模态态参数、刚刚度、质质量等，也也是一种种有效的的损伤识识别方法法。但是是有限元元模型往往往简化化了实际际结构，和和实际结结构存在在着一定定的差别别，因此此必需依依据现场场试验的的模态分分析结果果修正模模型，这这样才能能准确的的模拟分分析结构构损伤的的位置及及程度。Ricles
38、提出了残余力向量的概念，并对损伤前后的有限单元节点的自由度残余力向量的变化进行比较分析，识别出损伤位置。1988年，Chen提出通过计算结构损伤前后的模态应变能实现损伤单元的识别。随着计算机技术的的迅速发展，各种计算智能技术，如神经网络、遗传算法、模糊技术等得到了突飞猛进的发展，被广泛应用到各个领域。2.3.2国内内模态参参数辨识识与安全全控制的的研究现现状国内对于于工作模模态的研研究较之之于国外外起步晚晚，而且且研究水水平也较较低。近近年来，国国内有关关专家学学者对结结构工作作模态参参数识别别和损伤伤识别进进行了大大量有实实际意义义的研究究工作，并并提出了了不少对对管道振振动进行行控制的的方
39、法。南京航空空航天大大学史东东锋等人人研究了了工程结结构在环环境激励励下的模模态参数数的辨识识问题；上海交交通大学学的李中中付、宋宋汉文等等人提出出了一种种白噪声声环境激激励下模模态参数数识别的的方法；同济大大学淡丹丹辉、孙孙利民等等采用各各测点加加速度响响应互功功率谱的的频域多多参考点点模态识识别方法法来实现现结构模模态参数数的提取取，并利利用频域域的平均均法使识识别参数数的拟合合曲线平平滑，发发现参数数的变化化趋势，应应用于在在线监测测环境下下桥梁等等土木结结构的模模态识别别。该方方法适用用于更广广范围的的激励条条件，大大大开阔阔了未知知激励下下模态识识别的视视野。20044年北京京东方振
40、振动和噪噪声技术术研究所所研发了一一种基于于时域分析析振动模模态的DASSP系统统，不需要要施加已已知激振振作用力力，即能能同时对多阶密密集模态态进行辨辨识，相对于于频域模模态分析析，效率率、精度都有有明显的的优势。同时，国国内学者者对结构构损伤识识别方法法的研究究也较为为广泛，取取得了很很大进步步。尤其其在应变变模态损损伤识别别的研究究上较为为成熟。周先雁等人针对混凝土结构的应变模态的研究表明，应变模态损伤识别的方法可以用于识别混凝土结构的损伤，以动应变相对变化量识别结构的损伤位置以及损伤程度。冯新运用柔度的变化进一步识别了结构的损伤位置和损伤程度，提出了损伤定位的柔度投影法，数字模拟分析表
41、明，该方法对于数据不完整以及数据含有噪声的情况也具有一定的识别效果。综上所述述，针对对管道的的模态参参数识别别和安全全诊断问问题的研研究，国国外、国国内学者者百十年年来进行行了大量量的研究究和不懈懈的努力力，涉及及方面广广泛。尽尽管如此此，仍有有相当的的工作需需要进一一步研究究。国内内外学者者的研究究主要侧侧重于振振动与模模态识别别的基本本理论和和数值方方法的研研究探索索，对每每种结构构及输运运介质与与管道作作用的影影响和性性质特点点的研究究相对欠欠缺。特特别是针针对泵站站压力管管道特有有的工作作状况引引起的流流体振动动影响研研究比较较匮乏；另外对对压力管管道激振振引起的的损伤判判别和减减振措
42、施施的研究究明显不不足。993研究内内容、主主要研究究方法和和技术路路线3.1研研究目的的本项目作作为对大大型泵站站压力管管道振动动识辨和和损伤机机理的应应用研究究，以振振动模态态分析、激激励源辨辨识和振振动损伤伤机理的的研究为为主要内内容，通过现现场的原原位测试试和数值值模拟，提提出科学学可靠的的降噪减减振技术术。研究目的的如下：（1）通通过应用用先进的的原位测测试技术术，对景景电工程程代表性性泵站压力力管道进进行振动动测试和和模态分析析，客观观地评价价高扬程程泵站压压力管道道振动状状态和危危害程度度，为高高扬程泵泵站压力力管道的的优化设设计和安安全稳定定运行提提供科学学的方法法和必要要的理
43、论论依据；（2）通通过泵站站压力管管道振动动识辨的的方法研研究，探探寻泵站站压力管管道的振振动激励励源，为为泵站压压力管道道的振动动原因提提供理论论依据和和参考；（3）通通过压力力管道振振动的辨辨识，探探究压力力管道振振动损伤伤机理，提提出管道道结构的的减振与与避振措措施，对对泵站管管道结构构的优化化设计和和延长结结构的使使用寿命命提供技技术支持持；（4）通通过对泵泵站压力力管道的的振动模模态和流流固耦合合有限元元的分析析，探究究高扬程程泵站压压力管道道的振动动特点，为为管道结结构安全全级别的的判定提提供技术术支撑；3.2主主要研究究内容本课题以以大型泵泵站压力力管道的的振动识识辨和损损伤机理
44、理为主要要研究目目的，以以甘肃省省景电工工程一期期、二期期代表性性泵站压压力管道道为研究究对象，针对管道结构振动识别和损伤机理等问题进行研究，振动信号数据采集选用DASP-V10测试系统。DASPP-V100是一款款智能数数据采集集和信号号处理系系统，被被称为“可移动动的实验验室”，该系统统包含了了时域波波形分析析、频率率分析、小小波分析析和阻尼尼分析等等多种数值值分析方方法，与与传统的的数值分分析方法法相比方方法更加加简便，可操作作性强，可大大减轻研究流激振动的难度。在实际的工程项目中，利用DASP V10可快速取得实验数据，在相对较短的时间内可解决工程结构问题，尤其对以后的实际工程结构优化
45、起到很重要的指导作用和实践作用。本课题选选定三种种最具代代表性的的工况进行行实验，一一是在水水泵开机机瞬间状状态下，二二是在水水泵正常常运行状状态下，三三是在水水泵关机机瞬间状状态下。根根据实地地调查，开停机的瞬间压力管道流激振动最显著，为保证泵站的安全运行，需要测得振动信号数据，选定这种工况进行研究。在水泵正常运行状态下，压力管道产生的振动虽没有开停机状态下那样严重，但振动持续时间较长，有几百个甚至达到上千个小时。所以选择这三种工况，不仅具有代表性和典型性，还可以通过计算分析，找出激励源，为后续研究成果的推广做好铺垫。本课题的的主要研研究内容容如下：（1）采采用DAASP（Data Acqu
46、isition & Signal Processing）系统对泵站压力管道的振动特性进行原位测试，现场设计测点布置、试验工况、实验参数，进行现场试验数据信息采集与分析；（2）利利用数学学分析软软件MAATLAAB对DDASPP采集的的数据进进行小波波降噪处处理；采采用时域域分析和和频谱分分析方法法，对不同同工况下下压力管管道振动动的信号号数据进进行振动动激励源源辨识，寻找每个工况的振源主频；（3）采采用功率率谱方法法计算分分析不同同工况的的主要振振源，探寻相应应的管道道减振与与避振措措施，为为泵站压力力管道的的结构优化化和延长长工程使使用寿命命提供理理论基础础和技术术支持；（4）有有限元法法分
47、析：建立了了基于附附加水体体质量的的简化流流固耦合合有限元元模型，进进行不同同工况下下的有限限元仿真真计算分分析，辨辨识出系系统的模模态参数数，分析析不同泵泵机开启启状态下下压力管管道的振振动特征征，为试试验工作作模态参参数辨识识结果提提供验证证依据。（5）建建立统计计模式的的损伤识识别模型型，采用用均值控控制图的的分析方法法，诊断结结构损伤伤异常；应用基基于统计计模式识识别的诊诊断方法法对管道道结构的的安全性性做出判判定，为为压力管管道的优优化设计计提供理理论依据据。3.3主主要研究究方法按照主要要的研究究目的和和研究内内容，课课题组确确定的研研究路线线是：在在分析国国内外研研究理论论和具体
48、体技术措措施的基基础上，对对甘肃景景电灌区区的大型型泵站进进行现场场调查；对代表表性泵站站的压力管管道进行行DASSP现场场实验，对对测试的的信号进进行分析析；利用用小波降降噪分析析对信号号数据进进行降噪噪处理；利利用时域域分析和和频谱分分析方法法辨识管管道振动动激励源源，分析析主要的的振动部部位，判定激激励源对对管道振振动模态态的影响响程度；针对损损伤机理理及振动动工况提提出先进进、实用用的工程程减振方方案。具体的研研究方法法是：理理论分析析、数值模模拟、现现场实验验、室内内实验相相结合的的综合研研究方法法。在研究过过程中：（1）国国内外的的大量研研究资料料可以为为本课题题的研究究提供理理论基础础。（22）景电电一期和和景电二