基于谱单元方法的杆件导波数值模拟与损伤检测的时频分析

相比于传统的有限元方法,谱单元法是一种基于FFT算法的频域数值方法,它能够大大降低求解问题的阶数,在模拟高频导波在结构中传播、捕捉结构微小损伤方面尤为高效。以弯曲弹簧模型作为裂纹的数学模型,建立了裂纹杆件谱单元模型,求解高频导波激励下裂纹杆件的波动解。以短时傅里叶变换与Choi-Williams两种时频方法分析裂纹杆件的导波信号的能量时频分布。结果表明:短时傅里叶谱与ChoiWilliams谱均能够准确反映导波信号的时频分布特点,可以实现结构微小损伤的定位与定量分析;短时傅里叶变换的时域分辨率比Choi-Williams法低,但是其能量分布在时域上与导波信号的时域波形吻合更好;随着裂纹的加深,这两种时频分析方法对频域的分辨率更高。     

利用多分辨率分析法进行圆拱结构裂纹定位

小波分析可以同时在时域和频域取得最佳分辨率,这使得小波理论成为处理非平稳信号的有利工具。将小波理论引入到分析损伤结构的特征信号有利于准确地评价结构健康状况。本文将利用小波多分辨率分析对单、双位置的拱结构损伤进行定位研究。数值算例表明:利用sym4小波通过对多分辨率分析的高频成份进行单支重构,其重构系数的突变可以指示出裂纹位置。此外,对多位置的损伤识别,小波多分辨率分析依然有效。     

基于运行检测的小波模态参数识别

众所周知结构的运行条件和实验室测试条件明显不同,在实验室中结构的特性可以较为准确的模拟,结构激励是已知的.但是对于正常使用的结构来讲,激励往往是不可测量的,同时大部分情况下是非稳态的.因此基于运行模态的结构分析方法被提了出来,并将它作为传统模态分析的一个补充方法.提出基于运行检测的小波模态参数识别技术,基于小波的模态参数识别是将信号变换到时(频域),这有利于识别结构的动态特征参数频率、阻尼和振型.给出运行情况下结构振动响应数据的小波变换的振幅和相位与特征频率及阻尼之间的关系.提出小波谱分析方法,并用它来识别结构的振型.数值模拟的例子表明,采用小波的识别方法所识别的结果与频域的峰值法和时域的随机子空间方法所识别的相符.     

在役桥梁基桩缺陷判别方法

针对在役桥梁钢筋混凝土桩缺陷问题,采用侧向激励的方式进行检测,考虑到侧向激励虽然可产生P波,但P波和S波相互干涉,从实测反射波信号中很难分辨出缺陷反射信息,为此,本文利用小波变换多分辨率及可以在时域和频域范围内表征信号的局部特征这一特点,提出了一种基于小波变换的缺陷检测方法,该方法利用给定的特征曲线,通过对比来判断缺陷位置。最后给出了一组适合于钢筋混凝土桩的,具有典型意义的特征曲线。     

基于小波去噪振动加速度信号处理及时频域积分方法研究

使用小波去噪函数对实测加速度信号去噪并去除直流分量处理,利用时域积分法和频域积分法获取速度信号和位移信号,通过比较这两种积分方法在分析振动信号上的优劣,再分析误差来源并给出定量评判指标。通过实例验证了基于最小极大方差阈值的小波去噪在处理加速度信号时能获得较好的去噪效果;积分后修正的时频域积分法能够较好地克服直流分量和积分趋势项问题,并指出在对振动信号的处理上频域积分比时域积分有更高的准确度和稳定性。     

超高速撞击声发射信号在载人航天器加筋结构的传播特性实验研究

为研究超高速撞击声发射信号经过载人航天器加筋结构后的传播规律,分别在平板结构和加筋结构上模拟高速撞击实验,利用传感器阵列采集高速撞击产生的声发射信号。结合小波和傅里叶分析方法从板波模态、频域以及时域三方面分析加筋结构对声发射信号传播特性的影响,并研究成坑和穿孔损伤模式下声发射信号的传播规律。结果表明:加筋板中的信号高频部分比平板中高频部分能量少,筋体对信号高频部分有滤波效果。加筋结构受高速撞击产生穿孔损伤时,S0模态声波的能量增多。研究成果可为载人航天器结构的高速撞击感知与定位技术提供有利参考。     

基于时-频域信息的结构系统识别方法研究

结构响应的时域、频域信息均可用来对结构模型进行修正。该文提出频域信息与时域信息相结合的方法,对结构参数以及荷载进行评估。首先,从结构测量加速度信息中提取结构的频域特性,对结构模型进行较为粗略的修正,优化结构模型的振型、频率,使其与测量信息一致。其次,利用时域信息,在状态空间对结构运动微分方程进行零阶离散化,采用正则化方法对模型进行荷载识别,同时基于约束优化方法对结构模型参数进行进一步修正。应用模型缩聚方法,保证计算精度的情况下减少结构模型参数修正和荷载识别的计算量。在数值仿真计算中,基于框架结构的不完备地震时程响应记录,对结构损伤状况进行评估。结果证明,即使在有噪声的情况下,该文提出的结构状态方法依然能够很好地识别结构损伤程度、位置。最后,通过14层加层隔震剪力墙结构的振动台试验进一步验证该文提出的结构参数与荷载识别方法。     

基于频响函数与主成分分析的网架结构损伤检测方法研究

为了研究网架结构杆单元的损伤检测方法,对网架结构在瞬时激励下的损伤检测进行了数值模拟分析和试验分析。为了判断网架结构的损伤杆件位置,选取合适的激励方式,设置了两种不同的工况进行分析,分别提取了结构在损伤前后的时域信号,运用频响函数和主成分分析进行数据处理,选取频响函数向量夹角作为结构损伤指标。数值模拟分析时,提取了结构全部节点的时域信号用来判断损伤杆单元的位置;试验分析时,在基于节点应变能系数的传感器优化布置方法的基础上,提取少量节点的时域信号,分两步逐渐缩小所要检测的损伤范围,最终确定损伤杆单元的位置。数值模拟分析和试验结果显示基于频响函数与主成分分析的损伤检测方法可以准确判断损伤的杆单元的位置。     

基于模态应变能和小波分析方法的网壳结构损伤识别研究

工程结构损伤的识别与定位研究以往主要针对梁、框架等结构形式.损伤表现为信号局部特征的改变,而小波分析在时域和频域上都具有表征信号局部特征的能力.为提高结构损伤识别方法的准确性和适用性,将小波分析引入到网壳结构损伤识别中.根据小波奇异性检测理论,提出将模态应变能和小波变换相结合的方法对网壳结构进行定位,即以结构损伤前后单元模态应变能差作为结构损伤指标,对其分别进行bior6.8连续和离散小波变换,利用小波系数极大值点判断网壳结构有无损伤和损伤位置.以跨度40m的Kiewitt网壳结构为例进行数值模拟,结果表明:基于模态应变能和小波变换相结合的方法,在测得一阶模态下,不但对单一损伤而且对多损伤均能有效地识别出结构的损伤位置,证明该方法对此类结构损伤定位具有有效性和实用性.     

基于概率成像方法的装配式剪力墙地震作用下损伤演化分析

为了有效监控地震作用下装配式剪力墙裂缝损伤发展过程,提出了基于压电导波的改进概率成像分析方法。通过布设阵列传感器将待检测区域划分为多个子区域,根据发射与接收信号的相干函数提取有效信号;以该有效信号为输入信号,分别计算各子区域中基于信号能量特征差异系数的损伤指标,并利用概率统计方法对该损伤指标进行筛分,排除环境因素的影响;由损伤概率成像算法对检测区域内产生的所有裂缝位置进行叠加成像并提取图像阈值,从而实现装配式剪力墙在地震过程中裂缝损伤发生的判断、定位及演化分析。通过装配式框架-剪力墙结构的振动台试验验证了所提方法及裂缝损伤演化分析的有效性。所提出的改进损伤概率成像分析方法可直观有效地检测装配式剪力墙在地震作用下裂缝损伤的发生、位置及演化过程,可用于装配式结构的损伤监测。     

基于环境激励下钢桁梁桥的模态识别

以一下承式钢桁梁桥模型为例进行数值模拟,研究了基于环境激励下的钢桁梁桥的模态参数识别,包括:对比分析了频域法和时域法识别的结果,利用频域法分析了钢桁梁桥在不同样本长度时的模态参数识别结果,得出一些重要结论。     

Implementation of an Active Mass Driver Using Acceleration Feedback Control

Abstract: Most of the current research on active structural control for aseismic protection has focused on either full-state feedback strategies or velocity-feedback strategies. However, accurate measurement of the necessary displacements and velocities of the structure is difficult to achieve directly, particularly during seismic activity. Because accelerometers are inexpensive and can readily provide reliable measurement of the structural accelerations at strategic points on the structure, development of control methods based on acceleration feedback is an ideal solution to this problem. Recent studies of active bracing and active tendon systems have shown that H₂/LQG frequency domain control methods employing acceleration feedback can be used effectively for aseismic protection of structures. This paper demonstrates experimentally the efficacy of acceleration-feedback–based active mass driver (AMD) systems in reducing the response of seismically excited structures.     

基于正弦激振的多频率拟合法测在役拉索索力

大跨度预应力结构健康监测中在役预应力索力的测试识别精度关系到整个结构的安全,测试在役钢索索力有频率法、磁通量法等多种方法且各有特点,频率法的基频不易识别,磁通量法标量不准且操作繁杂。据此采用基于正弦激振的多频率拟合方法测试在役索力,建立多跨索振动模型和索力优化识别模型,以索力测量试验和某张弦梁结构的展览馆为实例,采用正弦多频率拟合法拾取多阶频率并进行优化分析。结果表明,对拉索施加正弦激振获得的多阶频率进行拟合优化计算比一般计算公式法计算的索力更接近实测索力,并且拉索的长径比在100以内的索力测量中,多频率拟合法的优势更明显,为基于正弦激振的多频率拟合法提供了依据。     

影响基桩动测锤击效果的因素分析

振源是基桩动测中的一个重要环节,宽窄不同的脉冲振源会导致实测信号分辨率不同,进而影响桩体缺陷的测试。基于锤体的不同参数,对动力试桩的锤击效果进行仿真模拟研究,讨论了导致输入脉冲时域和频域变化的各种具体因素,结合力锤冲击脉冲的解析解与试验实测数据归纳出相关规律,提出了相应的锤加工、使用建议,并给出了力锤输入脉冲的拟合形式,具有较重要的理论及工程实际意义。     

岩体爆破累积损伤效应声波频谱特征分析

为揭示岩体爆破损伤累积扩展规律及其与岩体声学变化特性之间的内在联系,在某地下工程围岩中进行了10次小药量爆破岩体损伤的现场声波测试。为充分利用岩体声波测试信号中的有效信息,弥补单纯声波速度分析的不足,基于快速傅立叶变换(FFT)探讨了声波在爆破损伤岩体中传播时的衰减特性,分析了主频、频域内最大振幅等岩体声学参数随爆破次数不断增加的变化特性。研究结果表明,随着爆破次数增加,岩体声波频谱特征呈现如下变化规律:(1)岩体爆生裂隙不断增加和扩展,声波测试信号中的高频成分不断被吸收,低频成分所占比例增加,主频向低频方向偏移,频谱曲线畸变程度增加;(2)声波主频比和频域最大振幅比均呈非线性降低趋势,频域最大振幅比对岩体爆破损伤的敏感性高于声波主频比;(3)随着爆心距的增大,岩体声波频谱变化程度逐渐减弱。     

大跨屋盖基于位移响应协方差等效静力风荷载计算方法

目前,频域内有多种等效静力风荷载求解方法,但每种方法都有其局限性;时域内也提出了风致响应的计算方法,却没有完整地提出求解等效静力风荷载的方法。本文基于位移响应协方差矩阵,提出了一种计算大跨屋盖结构等效静力风荷载的新方法。本方法的关键是获得位移响应的协方差矩阵,对于时域法,由于时程分析能得到位移响应时程,故可根据时程序列直接计算得到;对于频域法,也可由各阶模态响应推导得到,因而本方法既适用于时域法,也适用于频域法。最后,以某大跨屋盖结构作为工程实例,计算了等效静力风荷载,并将其与CQC方法计算结果进行了比较,验证了方法的有效性。     

Hybrid Time‐Frequency Blind Source Separation Towards Ambient System Identification of Structures

Abstract: Ambient system identification in noisy environments, in the presence of low‐energy modes or closely‐spaced modes, is a challenging task. Conventional blind source separation techniques such as second‐order blind identification (SOBI) and Independent Component Analysis (ICA) do not perform satisfactorily under these conditions. Furthermore, structural system identification for flexible structures require the extraction of more modes than the available number of independent sensor measurements. This results in the estimation of a non‐square modal matrix that is spatially sparse. To overcome these challenges, methods that integrate blind identification with time‐frequency decomposition of signals have been previously presented. The basic idea of these methods is to exploit the resolution and sparsity provided by time‐frequency decomposition of signals, while retaining the advantages of second‐order source separation methods. These hybrid methods integrate two powerful time‐frequency decompositions—wavelet transforms and empirical mode decomposition—into the framework of SOBI. In the first case, the measurements are transformed into the time‐frequency domain, followed by the identification using a SOBI‐based method in the transformed domain. In the second case, a subset of the operations are performed in the transformed domain, while the remaining procedure is conducted using the traditional SOBI method. A new method to address the under‐determined case arising from sparse measurements is proposed. Each of these methods serve to address a particular situation: closely‐spaced modes or low‐energy modes. The proposed methods are verified by applying them to extract the modal information of an airport control tower structure located near Toronto in Canada.     

A dynamic stiffness-based framework for harmonic input estimation and response reconstruction considering damage

In structural health monitoring (SHM), the measurement is point-wise but structures are continuous. Thus, input estimation has become a hot research subject with which the full-field structural response can be calculated with a finite element model (FEM). This paper proposes a framework based on the dynamic stiffness theory, to estimate harmonic input, reconstruct responses, and to localize damages from seriously deficient measurements. To begin, Fourier transform converts the dynamic equilibrium equation to an equivalent static one in the frequency domain, which is under-determined since the dimension of measurement vector is far less than the FEM-node number. The principal component analysis has been adopted to “compress” the under-determined equation, and formed an over-determined equation to estimate the unknown input. Then, inverse Fourier transform converts the estimated input in the frequency domain to the time domain. Applying this to the FEM can reconstruct the target responses. If a structure is damaged, the estimated nodal force can localize the damage. To improve the damage-detection accuracy, a multi-measurement-based indicator has been proposed. Numerical simulations have validated that the proposed framework can capably estimate input and reconstruct multi-types of full-field responses, and the damage indicator can localize minor damages even with the existence of noise.     

FFT方法在金属有机涂层抗渗性测量中的应用

根据在时域中快速Fourier变换(FFT)的原理,应用恒电位仪实现了对各种金属有机涂层抗渗性的低频在线测试,所得结果与传统的应用锁相放大器或频率响应分析仪的高频方法相同,而且,前者快捷高效,不需要使用价值昂贵的频域仪器,为自制现场测试仪器提供了理论依据.     

高频等离子固相外沉积工艺参数在线测量系统研究

高频等离子固相外沉积工艺工程中沉积温度和沉积量是最为关键的工艺参数,但受到沉积车间温度、强光照和高频信号干扰等不利条件的限制,常规测量方法无法实现精确测量。本文根据工艺特性采用红外测温和影像测量的手段实现工艺过程的在线精确测量,提升了工艺控制精度和石英材料产品品质。