结构应变模态参数辨识的最小二乘复频域方法

由于应变模态对结构状态的敏感性,其在结构在线健康监测和损伤识别方面比位移模态更具优势。利用应变和位移的关系,将最小二乘复频域方法应用到结构应力应变分析中,建立基于应变测量数据的结构动力学参数频域辨识方法。由于应变模态和位移模态是同一种物理状态的不同表达形式,两者在数学表达上有相似性。首先建立以应变为变量的参数化公分母模型,在此基础上将非线性最小二乘问题进行线性化,得到加权线性最小二乘的方程误差。然后采用基于缩减正则方程的算法进行求解,减少计算量,并通过对模型参数施加约束来避免参数冗余。然后,设计并搭建一个自由梁的实验结构系统,利用光纤布拉格光栅应变传感器测量结构动应变数据,根据最小二乘复频域方法,基于应变测量数据辨识得到频率和阻尼比,与传统的基于加速度测量数据的辨识结果相吻合。另外,辨识所得应变模态振型与仿真结果也具有一致性。因此,数值仿真和实验验证表明,文中提出的基于最小二乘复频域方法能够准确辨识结构应变模态。     

悬臂梁结构的应变模态积分法与灵敏度分析

应变模态振型决定了结构动应变分布规律。基于梁应变与曲率的正比关系,提出一种直接求解悬臂梁结构曲率模态的积分方法,适用于任意形式的刚度和质量函数。通过与数值和解析解比较模态频率与振型,验证了该方法的准确性。此外,该方法将连续体模态求解问题转化为有限自由度的广义特征值形式,进一步证明可以应用Nelson法求解该形式的特征灵敏度,获得了曲率模态振型对于结构设计参数的灵敏度显式表达。为了更加明显地表现动应变变化,提出了曲率梯度模态的概念,其参数灵敏度可由曲率模态灵敏度获得。算例结果表明,该方法可以有效地优化结构参数、避免动应变集中。该方法同样也适用于固支—固支和固支—简支这两种边界条件。     

通过模态滤波实现阵列式传感器系统的故障诊断

基于结构振动响应特性利用改进的模态滤波方法对阵列式传感器系统进行故障诊断。在梁结构表面均匀布置一组加速度计,利用模态振型对该系统的输出信号进行重构,将重构信号与实际信号之间的曲率误差作为敏感参数,对系统中的模拟故障传感器进行检测与识别,并加以实验验证。数值计算和实验结果表明:改进的模态滤波方法不仅可以直接有效地对传感器系统进行实时故障监测,而且该方法与外界激励力位置无关,具有良好的工程应用前景。     

基于应变模态分析的桁架结构损伤检测

选用桁架结构作为研究对象,应用应变模态分析方法对桁架结构的损伤进行检测。由位移模态振型推导应变模态进而用应变模态差值作为桁架结构损伤检测指标,提出了一种基于3σ准则的损伤阈值。通过应变模态差值与损伤阈值的对比来判别损伤有无并对损伤进行定位,用损伤前后应变差值的突变大小来初步确定桁架结构的损伤程度。对一具体桁架结构的单处和多处不同程度损伤工况,结合有限元软件进行了数值模拟。实际桁架的损伤检测实验验证了该方法的有效性。     

基于振动测试的海洋平台结构无损检测

针对海洋平台等复杂大型土木工程结构物，研究基于振动测试的无损检测方法，提出了一套利用结构单元模态应变能特性的新损伤诊断方法。该方法是将结构单元的模态应变能分解为拉压模态应变能和弯曲模态应变能，并定义了两个损伤诊断指标，即拉压模态应变能变化率(CMSECR)和弯曲模态应变能变化率(FMSECR)。模态应变能是通过结构不完备模态振型和结构刚度矩阵计算出的，因此，可以通过振动测试得到结构单元的两个损伤指标诊断结构的损伤。为了验证本文所提出损伤诊断方法的正确性，利用海洋平台有限元模型数值模拟了三个典型的损伤工况。根据损伤诊断结果，本文所提方法能够得到较满意的诊断精度，具有一定的实际应用价值。     

基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构

提出一种基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构方法,通过两次坐标变换将全结构缩聚为自由度更少的超单元模型,将超单元模型的模态分为密集模态和剩余模态。通过经验模态分解法分离出已知响应中单阶的剩余模态响应,进而重构出待测位置的剩余模态响应,待测位置的密集模态响应可由模态振型和剩余模态计算得到,通过模态叠加法实现在密集模态下的时域响应重构。进行了数值模拟研究,将待测位置响应的理论值与重构值进行比较以验证该方法的精度和效率,此外还详细研究了主模态数量、子结构划分方式、测量噪声和阻尼对重构结果的影响。结果表明：该文方法通过模型缩聚大大减少了重构的数据量,并且改善了传统EMD方法不能分离频率间隔较小的模态而无法实现响应重构这一不足,无论密集模态存在与否都可适用于结构的应力、应变、位移、加速度等多种动力响应的重构。     

基于应变模态参数的结构瞬态载荷识别方法研究

该研究主要针对结构受到的瞬态载荷的识别问题,提出了基于应变响应和应变模态参数的载荷识别方法。假设时间步长内载荷不变,利用Duhamel积分导出了基于位移响应的载荷识别模型,提出了相应的正则化方法;给出了利用位移模态振型和应变模态振型将应变响应转换为位移响应的转换关系式,从而实现基于应变响应的瞬态载荷识别。该方法避免了应变到位移的空间积分过程,并通过正则化方法,保证转换过程的鲁棒性;通过海洋卫星的仿真实验算例对所述方法进行验证,并分析解决了单点激励时识别结果失真的问题。同时通过自由梁实验锤击实验对所述方法实际效果进行论证。结果表明,所提出的识别方法对瞬态载荷具有很好的识别效果,所推导的应变-位移转换关系具有较好的精度和鲁棒性。     

结构基于振动损伤识别的发展概况

对目前关于结构基于振动损伤识别的基本方法和最新的研究进展进行了回顾,重点介绍了利用结构振动固有频率、位移振型、曲率模态振型、应变模态和神经网络法作了相关的讨论和评述.最后对这一研究领域的未来研究方向进行了展望.     

基于响应协方差小波变换和SVD的结构工作模态参数识别

对系统响应的协方差作小波的时频分解,利用信号互协方差与自协方差的小波变换系数的比值来识别结构的工作模态振型,由矩阵奇异值分解(SVD)从小波变换时频分析结果确定小波脊,通过实际结构多测点数据,利用小波系数比值来反映振型,识别结构各阶工作模态参数(固有频率、阻尼比和振型)。用数值模拟算例和实桥环境振动试验数据对方法进行了验证,并与频域峰值法和时域随机子空间识别方法结果进行了比较,结果表明,该方法可以准确地识别出结构的工作模态参数,特别是阻尼和振型的识别。     

应变模态分析及其与位移模态的关系研究

振动实验分析中,动态应变信息与位移信息具有互补性,位移响应大的地方应变响应一般较小,反之亦然。基于动态应变测量的应变模态分析理论及参数辨识与基于位移（或速度、加速度）测量的位移模态分析理论同源,但二者之间的理论关系及其相互修正方法缺乏深入有效的研究。以等截面直梁为对象,首先导出激励力-动态应变响应的频率响应函数表达式,讨论应变模态参数的辨识方法。在此基础上,进一步构建属于同一特征值的应变振型与位移振型之间的变换关系,并详细分析应变-位移变换矩阵的特性。仿真算例表明所建立变换关系的合理性与正确性。     

一种高阶模态涡振试验新气弹模型的模型参数优化设计

多点弹性支撑连续梁气弹模型是一种研究大跨桥梁主梁高阶竖弯模态涡激振动的新型气弹模型。为了使该模型的频率、模态质量和振型与原桥梁缩尺后的动力特征更好地匹配,提出了基于动力系统矩阵方程的模型参数优化方法。以模型的频率、模态质量和振型为优化目标,利用结构的振动方程,建立优化目标函数,采用最小二乘法获得芯梁刚度、弹簧刚度和附加质量的最优设计。通过数值分析对该方法进行了验证分析。以两座不同形式的悬索桥为例进行了该方法的可行性分析。研究结果表明:采用该方法设计的气弹模型能很好地与原结构相匹配。     

基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法在桥梁状态评估中的应用

以张家港河大桥为对象,在不中断交通条件下对该桥实施模态试验,建立和修正其有限元模型,由此对试验模态振型质量归一化。利用振型已质量归一化的试验模态参数,计算该桥已知静荷载作用下的试验模态挠度,通过模态挠度与静挠度实测值的比较、关键问题的仿真研究和模态振型对模态挠度影响的误差分析,探讨和说明了基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法在实际工程中应用于桥梁状态评估的可行性与有效性。     

移动荷载激励下基于平均曲率模态的简支梁局部损伤识别

该文采用缺口平滑拟合技术,利用移动荷载激励下结构的响应数据,通过分析梁式结构的平均曲率模态,对结构进行局部损伤定位。该方法不需要损伤前的桥梁激振数据,受信号噪音影响较小,并且可用于多移动荷载同时激励的情况,实践性和可操作性大大提高。首先分析在质量-弹簧-阻尼体系的移动荷载激励下简支梁的动力响应,通过Newmark-β时域积分算法分析沿时间平均处理后的简支梁振动位移模态,验证了基频模态在移动荷载激励下简支梁位移响应中的支配作用,在理论上解释了平均信号处理的意义。其后,利用ANSYS生死单元技术进行质量-弹簧-阻尼体系的移动荷载仿真,构造出三角函数拟合曲线的形式用于损伤识别。数值实验取得了良好的识别效果,表明该方法在多点损伤、多移动荷载、噪音影响等情况下均具有良好的灵敏性。该文为正常通车条件下桥梁的损伤识别研究提供了一种新思路。     

应振型损伤特征量在混凝土结构损伤诊断中的应用

为检测混凝土构件损伤的出现、损伤位置及损伤程度，本利用位移振型特征量推导了相应的应变振型特征量，并利用Matlab软件编制了混凝土悬臂梁的有限元振动计算程序，对混凝土悬臂梁在发生损伤前后的位移和应变振型特征量进行了仿真计算。结果表明，位移和应变振型特征量均可确定混凝土悬臂梁上存在的损伤，并可确定损伤位置。应变振型特征量较位移振型特征量对损伤更敏感，可用于混凝土构件的损伤检测。     

Crack detection of structures using modified extreme learning machine (MELM)

In this paper, crack detection and estimation method is presented in structures using modified extreme learning machine. For this purpose, extreme learning machine was modified using modified weights and biases. By using the first three frequencies and mode shapes as input, crack was detected as output. Performance of the proposed method was evaluated by using some numerical examples consisting of a simply supported beam, cantilever beam and fixed-simply supported beam. In addition, noise effect (3% noise level) on the measured frequencies and mode shapes have been investigated. In another work, a portal frame has been studied. The results indicated that the proposed method is effective and fast in crack detection and estimation of structures.     

基于应变模态响应重构的损伤识别方法EI北大核心CSCD

土木结构的损伤识别技术对提升结构可靠性与安全性具有重要意义,也是土木结构健康监测研究中的热点问题。现有的损伤识别方法往往需要识别模态参数,或者需要准确获取结构外部载荷信息,极大限制了相关方法在实际工程中的应用。为克服现有方法的局限性,该文将结构动态响应重构方法引入到损伤识别中,提出了基于应变模态响应重构的损伤识别方法。构建结构健康状态的有限元模型,以损伤结构测量的信号输入,通过基于经验模态分解的应变重构方法,可以获取使用无损伤模型的结构全局模态响应。以传感器采集的模态响应和重构模态响应的差异作为有限元模型修正的依据,通过应变模态比值构建的传递率的灵敏度矩阵进行迭代运算,求得损伤位置及损伤程度。该方法无需获取结构的外部激励信息,通过高效的时域应变重构,能够在少量测量信号下实现对结构损伤的精确识别。为验证该方法的准确性和高效性,开展了连续梁单一损伤和多损伤识别研究,探讨了测量噪声和模态阶次选取对识别结果的影响,结果表明,该方法能够准确、高效识别不同程度的损伤,对测量噪声具有较强的鲁棒性。     

Modal parameter identification and vibration based damage detection of a multiple cracked cantilever beam

This paper presents a detailed investigation on the modal parameter identification and vibration based damage detection of a multiple cracked cantilever beam with hollow circular cross-section. To consider multiple crack effects, a cantilever beam including cracks is considered for six damage scenarios. Finite element models are constituted in ANSYS software for numerical solutions. The results are validated by experimental measurements. Ambient vibration tests are performed to extract the dynamic characteristics using Enhanced Frequency Domain Decomposition (EFDD) and Stochastic Subspace Identification (SSI) methods. Calculated and measured natural frequencies and mode shapes for undamaged and damaged beams are compared with each other. Automated model updating is carried out using the modal sensitivity method based on Bayesian parameter estimation to minimize the differences for damage detection. In addition, modal assurance criterion (MAC) and coordinated modal assurance criterion (COMAC) factors are obtained from the mode shapes and two set of measurements to establish the correlation between the measured and calculated values for damage location identification.     

对体积位移传感器的研讨

以不同边界条件的振动梁为例,提出通过分部积分方法设计特定形状的PVDF薄膜测量体积位移。这种分部积分方法得到的PVDF传感器形状不但与外激励力的性质（如激励力类型、位置以及频率等）无关,而且不需要振动梁的模态信息。研究表明,可以把振动梁的边界条件分为两类,即一端固定一端任意和两端位移为零,对于每一类边界条件可以用一种特定形状PVDF传感器测量其体积位移。