基于多轴振动环境试验的模态参数辨识

基于平行多轴振动台环境试验数据,通过被测系统频域中的测点响应值与台面测点响应值之间的传递函数,导出估汁被测系统的频率响应函数的方法和公式,从而转化为一般的多输入多输出系统进行模态参数识别,并对各振动台输入信号谱相关性的影响和处理方法作了研究.仿真算例验证了方法的可行性和有效性.     

振动试验机电传递函数的结构动特性分析

在振动试验中,应用试验件与振动台台面组成大系统的建模方法,建立振动台的台面控制加速度与驱动电压之间的机电传递函数,分析试验件固支模态频率与机电传递函数零点体系之间的对应关系,当将振动控制仪的驱动电压看作为整个系统的广义激励时,试验件的固有频率可以在只有台面控制加速度的情况下得到辨识。最后以π形钢梁的振动试验结果验证了该方法的正确性。     

《卫星力控振动试验的模型简化原理分析》

航天器振动环境试验的首要目标,是为了发现航天器在结构动力学设计方面存在的问题,防止在发射过程中由于严酷的振动环境导致发射任务失败。在常规航天器的振动测试中,振动台台面的加速度输入是按照加速度规范进行控制的,将飞行环境中实际测量得到的加速度峰值的进行包络,这种测试方法会在卫星或飞船的固有频率处产生较大的过试验现象。为此,NASA从1993年以来,推行“力限振动试验（force limited vibration testing）”技术,即采用振动台加速度和界面力进行“双控”,以降低过试验的危害。但是,由于真实飞行时的星箭界面力无法通过实际测量得到,因此,通过对星箭界面的计算模型、实验获得的模态参数、以及从实测界面加速度等条件下获得界面力数据的研究成为FLVT技术研究的核心内容。本文通过星箭耦合系统的动力学模型,利用子结构模态综合法推导出界面动力学响应以及界面力与界面加速度的关系式。然后根据子结构各阶主模态在特定频率区间内的特性,对动力学模型进行简化,并对NASA文献中的“复杂二自由度模型”进行了理论证明和误差分析。     

力控振动试验与过试验现象分析

传统的卫星加速度控制试验是根据特定的加速度规范,测量并控制振动台台面的加速度,由这种试验方法做出的估计往往过于保守,会在试件结构的固有频率处产生过试验现象,对结构造成过响应的危害.力控试验是测量并控制卫星结构与振动台台面之间的界面力,这种试验方法能够有效地改善由加速度控制试验造成的过试验现象.本文在传统加速度控制试验产生过试验的原因和力控试验方法的过试验补偿原理的分析的基础上,进一步提出了双控试验这一方法,即同时测量并控制界面力与台面加速度,并且可以更好地模拟真实发射过程中的卫星结构的动力学环境.本文通过数值仿真算例,验证了力控试验对过试验现象具有明显的改善效果,以及双控试验是最为理想的卫星动力学环境试验方法.为力控和双控试验方法真正应用于我国卫星动力学振动试验提供了理论依据.     

振动台在无限流体域中台面附加质量研究

 船舰外壳装有声纳传感器用来接收来自水下的声纳信号，船体的振动必然会对声纳传感器的工作产生影响，因此有必要设计水下振动台来模拟水中船体的振动，然后在振动台的台面上安装传感器来进行模拟研究．设计一个工作台面在水体中的振动台，必须考虑水介质对台面的附加影响，这对振动台所需的推力设计、台面几何形状设计等是十分重要的．从振动台台面流固耦合运动方程出发，通过有限元方法，分别计算了台面在空气中和水下振动的加速度谐响应．通过比较台面上不同部位上几个关键结点耦合前后平均加速度值的变化，计算出了各个频率下的附加质量，并对附加质量给振动台设计带来的影响进行了研究．     

单轴振动台振动质量的改进

该文完成对单轴振动台系统的设计和集成工作,验收时发现系统的台面加速度峰谷值处反馈不稳,造成设备无法正常通过验收使用。针对此问题,该文经过一系列模拟分析和试验认证找到根本原因,并很好地解决这一问题。同时指出,针对不同试验类型需选择不同类型的伺服阀以保证试验质量。     

力限控制在振动试验中的应用研究

传统航天器加速度响应控制振动试验是根据特定的加速度规范,控制振动台台面加速度,这种试验方法会在试件固有频率处产生过试验现象,力限振动试验可以有效地缓解这种过试验.本文基于简单二自由度模型给出了详细计算力限条件的方法,在此方法基础上,推导出了航天器试件支架与振动台台面间力谱和加速度谱,并对试件支架进行力限正弦振动试验和力限随机振动试验,实验结果表明：与传统加速度响应控制方法相比,基于简单二自由度模型力谱条件的力限振动控制试验能够更加真实模拟动力学环境,有效缓解振动过试验,可以为航天器振动试验提供很好的试验依据。     

大型地震模拟振动台运行对周围场地影响的试验研究

随着地震模拟振动台数量越来越多,其运行对环境的振动影响受到极大关注。通过现场实测和分析,深入探讨了振动台运行对周围场地的振动影响,结果表明:如果将振动台基础简化为单自由度质点-弹簧-阻尼模型,地基土提供弹性力和阻尼,振动台的运行视为施加于基础的动力荷载,由此得到的计算结果与实测基本吻合。通过扫频试验获取了基础振动幅频响应曲线并进而确定了基础自振频率。试验研究结果显示,当振动台台面产生峰值为1.5 g加速度时,基础及实验室内地面加速度最大值仅有5 gal,不及台面的0.4%;振动从基础向周边场地传播按指数规律衰减,一般不会对周围建筑安全和人员舒适性造成不良影响。     

地震模拟振动台试件与台面相互作用的力反馈补偿控制

电液伺服地震模拟振动台试验过程中存在试件与台面相互作用,导致振动台系统的幅频特性曲线在试件自振频率及附近范围产生峰值和陷波,影响台面振动的实际输出。为消除试件与台面相互作用对振动台系统控制性能的影响,在三参量控制的基础上引入力反馈补偿控制,并通过单台振动台试验中单自由度试件、多自由度试件模型进行了试验仿真分析,结果表明力反馈补偿控制补偿了试件与台面相互作用对振动台系统性能的影响,通过控制方法的误差影响分析验证了该方法对于振动台试验控制的有效性。     

模拟地震振动台试验对摄影测量位移噪声的限值要求

在振动台试验中，摄影测量所得数据中的噪声会造成测量误差，过大的噪声会导致测量数据无法合理反映模型结构在模拟地震激励下的动力反应。针对振动台试验中摄影测量的位移噪声以及相关影响展开研究，通过对摄影测量的噪声数据进行分析，获得了该噪声信号的基本统计参数与低频段的显著分布范围(0～5 Hz)。在此基础之上，根据噪声信号的方差与标准差对位移、速度、加速度以及层间位移角四种结构反应的测量误差进行估计，推导结果表明：在有限差分法所得速度与加速度结果中，噪声的标准差被分别放大了f_s倍与f■倍(f_s为采样频率)。最后，结合常用的振动台试验参数，对摄影测量位移噪声的范围给出限值要求，为振动台试验选择合适的测量方式提供参考依据与技术指标。     

基于概率性人行荷载模型的楼板结构振动分析

为评估实际楼板结构在可能承受的人行荷载作用下的振动性能, 运用动力测试和数值模拟相结合的方法对某实际楼板结构进行了动力特性及人行激励下的概率性响应分析。首先利用基于频响函数的冲击动力测试, 识别了楼板结构实际的模态参数。然后考虑各行人个体产生激励的差异性及随机的人行路径等因素, 构建了不同随机步态参数组合的单人及人群多分量荷载模型;基于动力测试所得的模态特性, 分别计算了在所构建的概率性荷载作用下的多模态响应;对得到的大量响应样本统计分析得到了单人及人群行走荷载下的响应分布以及某一振动水平发生的概率;结果表明人致振动响应服从近似的正态分布, 行人随机性的步态参数中步频对响应的分布起控制作用, 此外得到的响应分布特性可对实际楼板结构的人致振动进行概率性的评估。在人群荷载响应计算时, 对测得的人活动加速度响应进行自由衰减响应分析得到不同加速度水平时结构基本模态特性的变化, 结果表明频率随振动加速度幅值的变化相对较小, 而阻尼的变化相对较明显。该文研究可为类似工程的人致振动概率性评估提供参考。     

扩展特征系统实现算法的模态参数识别特性研究

结构动力响应作为模态参数识别的输入数据,对识别结果存在一定的影响。扩展特征系统实现算法(EERA)是一种多输入输出的结构模态参数识别的时域方法,相比于特征系统实现算法(ERA)应用范围可以扩展到任何随机响应,具有识别精度高、稳定性好等特点。该文主要对EERA算法,在分别采用加速度、速度和位移动力响应作为输入时,对两个自由度弹簧阻尼质量系统和实验室环境下6层框架结构识别的结果进行了比较分析,得出EERA对任何动力响应均适用,并且建议采用加速度动力响应信号识别高阶模态。     

环境激励下基于快速贝叶斯FFT的实桥模态参数识别

近年来,贝叶斯理论逐步应用于工程结构的模态参数识别、有限元模型修正及状态评估等方面。基于快速贝叶斯FFT的模态参数识别方法是针对某一共振频率带的单个模态,通过一个四维的数值优化问题得到模态参数的最佳估计,并通过对数似然函数关于模态参数的二阶导数求得Hessian矩阵,使得基于贝叶斯的参数识别方法可以快速高效地进行。为了评估该方法在实际桥梁结构模态参数识别应用中的可行性及优越性,运用快速贝叶斯FFT方法对环境激励下一刚构-连续组合梁桥的竖向加速度响应进行了分析处理,识别了其模态参数的最佳估计,并根据模态参数的变异系数评估了其后验的不确定性。识别结果与随机子空间识别结果的对比表明,两种方法识别的频率和振型基本吻合,阻尼识别结果的差异仍然较大。     

Modal parameter identification using Z-transforms

A method for the time domain identification of modal parameters of a vibrating structure using Z-transformation sequences is presented in this paper. This identification proceeds using the Z-transfer function of a vibrating structure from which an auto-regressive and moving-average (ARMA) model of the vibrating structure is derived. From this ARMA model and time domain data, the modal parameters can be identified. The time domain data can be obtained from single point or multiple shaker excitation modal testing. To demonstrate the application and efficiency of the method, a test on a simulated cantilever beam is presented.     

基于加速度二次协方差矩阵参数变化比法的环境振动下结构损伤识别

在白噪声环境激励下,结构加速度响应的自相关/互相关函数构成一个新的二次协方差（CoC）矩阵,组成这一协方差矩阵的元素经证明是结构模态参数（频率、振型、阻尼）的函数;与提取模态参数的一般损伤识别方法相比,二次协方差矩阵包含结构振动的更多和更高阶模态信息。本文利用结构损伤前和损伤后的二次协方差（CoC）矩阵参数的变化比,对只基于振动输出的、环境振动下的结构进行损伤识别。对一个七层框架结构模型进行了数值模拟,首先对不同噪声程度、不同损伤位置和程度的损伤结构进行损伤定位,再结合模型修正法,对结构损伤程度进行识别,展示了该方法的有效性。     

基于结构加速度误差最小化的声学预测模型修正

针对FEA（有限元分析）声学预测方法,提出了基于结构加速度响应误差最小化的声学预测模型修正方法。以模态迭加法为基础,结合模态应变能模态阻尼识别和频域载荷识别原理,重构了FEA声学预测模型,通过遗传算法优化结构损耗因子,使结构加速度响应计算值与实验值误差最小化,从而识别系统模态阻尼比及激励力,实现对声学预测模型参数的修正。将该方法与传统计算方法预测结果对比,结果表明：该方法可以精确识别系统模态阻尼和激励力,提高模型预测精度。     

基于振动响应时频分析的桅杆损伤识别方法

桅杆的模态参数和刚度对纤绳平衡张力、激励和环境条件比较敏感,导致目前比较有效的结构损伤识别方法和指标难以直接应用。为此,探索了基于测点振动响应时频分析而不依赖模态信息的桅杆结构损伤识别方法,提出利用结构测点振动响应的Wigner-Ville分布交叉项统计量WCS(WVD Cross-term Statistic),通过比较损伤前后统计量的相对变化量来进行损伤识别。算例分析结果表明,利用测点振动响应的损伤识别指标WCS相对变化量,除能识别杆身单个不同程度的损伤位置以及多个损伤外,还能分辩出纤绳的损伤特征。通过增大激励的幅值和增加测点的数量,可以提高识别的精度和指标的灵敏度;基于测点位移响应与基于测点加速度响应的损伤识别指标相比,具有更好的损伤识别效果。     

An experimental study on the use of dynamic tests for surveillance of concrete structures

A method is presented for the use of dynamic response as an inspection and surveillance tool for the long term monitoring of concrete structures (mainly bridges) and for the analysis of these dynamic experimental data to ensure their correct use to this end. The method is based upon the definition of a finite element model for the structure, for the identification of stiffness characteristics (related to cracking) starting from modal dynamic parameters (natural frequencies and mode shapes) derived from dynamic tests. Some advantages can be obtained when compared with static tests: mainly, the recording of dynamic data is readily achieved because acceleration transducers can be mounted easily in the structure instead of displacement transducers. In order to check the feasibility and accuracy of the method presented, several damage identification tests were performed in the laboratory on groups of reinforced concrete beams with different and well defined cracking patterns. Dynamic response was measured by acceleration transducers. This experimental verification clearly shows the effectiveness of the proposed method in the identification of location extension and amount of cracking when some important requirements concerning the dynamic data recorded are taken into account. In particular, more than the first natural frequency must be evaluated.     

高层钢结构TMDs风振舒适度控制最优参数与简化设计

分别将脉动风视为白噪声和采用Davenport风速谱，基于建筑荷载规范GBJ9－87，导出了高层钢结构－TMD系统减振系数DRF1和DRF2。数值研究表明；高层钢结构的基本周期和基本风压不影响TMDs最优设计参数；将脉动风设为白噪声或采用Davenport风速谱时，TMDs最优设计参数未有改变，但减振系数略有变化。同时，基于导出的高层钢结构TMD－系列加速度传递函数及加速度动力放大系数，研究了TMDs最优参数取值。提出了高层钢结构TMD风振舒适度控制简化设计过程。数值算例说明了本文方法的应用及TMDs对高层钢结构风振舒适度控制的有效性。比较了基于位移和加速度设计的TMDs系统。