基于不完备实测模态数据的结构损伤识别方法研究

在传统的基于模型修正的损伤识别中,由于实测模态信息有限而待识别参数过多,往往导致损伤识别方程出现较大误差,从而限制了该方法在复杂结构中的应用。为解决这一问题,对结构的自由度进行了分解,将损伤结构中模态振型的未测量部分表达为已测量到的模态振型、模态频率以及结构其它参数的函数。将损伤视为结构单元刚度的减小,利用完好结构的计算模态数据以及损伤结构扩充后的实测模态数据,建立了结构的损伤识别方程。运用信赖域优化算法对具有双重约束条件的目标函数进行最小化,识别出了结构各单元的刚度损伤参数。通过两个损伤识别数值仿真算例及实验验证,结果表明,在测点数量有限及测试噪声等不利因素影响下,所提方法只需运用少量的实测模态信息,即可实现结构损伤位置及程度的准确识别,同时算法具有较好的鲁棒性。     

基于快速独立分量分析的模态振型识别方法研究

摘要：快速、准确地识别出结构的模态参数,特别是结构的振型是结构损伤精确识别与健康监测的重要前提。大多的模态参数识别时域方法都是从曲线拟合的角度或解算特征值的过程来实现。振型向量通过求解各阶模态的留数获得,这些方法依赖于模态频率与模态阻尼的识别。本文提出一种模态振型的直接提取方法,该方法基于快速独立分量分析技术,以模态响应之间的独立性构造目标函数,通过优化目标函数寻求振型向量的最优解,直接从结构自由响应或脉冲响应的数据矩阵中提取结构的振型向量。三自由度数值算例表明该方法有效,具有很高的识别精度且对测量噪声具有很好的鲁棒性。     

基于模型修正的钢管焊接结构焊缝损伤识别

摘要：本文提出了一种基于模型修正的钢管焊接结构焊缝损伤识别方法。利用从发射台骨架试验模型获取的模态参数,选择识别结果中精度较好的模态频率作为模型修正的基准频率。通过对待修正参数的灵敏度分析,运用ANSYS和MATLAB软件对有限元模型进行了修正。以实测模态和计算模态之间的误差建立一个带约束边界非线性最小二乘目标函数,将损伤识别问题转化为优化问题,并采用信赖域方法求解该优化问题。以有限元模型焊接结点单元组弹性模量的降低模拟焊缝损伤,并假定了两种损伤工况,通过对发射台骨架模型的数值仿真及试验研究,结果表明本文提出的损伤识别方法识别效果较为理想,为解决这种复杂焊接结构焊缝损伤识别问题提供了新的思路。     

时变AR模型的一种定阶方法

自回归（AR）模型的定阶对其分析结果的准确性、效率和可靠性具有重要影响。对时变AR模型的定阶问题进行了深入研究,提出了一种基于采样频率以及分析频率之比的定阶方法。对一质量随时间变化的悬臂梁进行了有限元建模,运用计算所得到的振动响应建立了梁的时变AR模型,利用所提方法进行了该模型的定阶,采用递推最小二乘法对梁的模态频率进行了估计。对一质量时变的悬臂梁进行了试验,对采集的振动响应信号建立了时变AR模型并识别了其振动模态频率。模拟计算和试验结果都表明,提出的时变AR模型定阶方法是有效且可行的,且识别算法具有一定的抗噪性。     

基于声振耦合的装载机驾驶室多目标形貌优化设计

对某装载机驾驶室及室内声腔进行建模得到声振耦合模型,通过SIMO法模态试验验证所建模型的准确性,测取悬置点激励力并进行频响分析及室内噪声预测。结合耦合模态频率和噪声曲线峰值频率确定关键优化频率,在驾驶室的最大扭矩工况下进行静力学分析,采用折衷规划法和平均频率法将驾驶室静态整体刚度和多阶关键频率归一为Euclidean距离的多目标函数,对驾驶室进行多目标形貌优化。结果表明:此优化方法在驾驶室结构优化上的应用综合提高了结构整体刚度和多阶关键固有频率,避免了单频优化时频率震荡现象,得到了优化目标的整体Pareto最优解,室内噪声总声压级降低了3.03 d B。     

推进剂与贮箱液固耦合振动的动力学分析

分析液体燃料运载火箭的推进剂及贮箱的耦合振动时,为了精确建模、工程化快速计算及为火箭整体系统提供液固耦合燃料系统等效模态参数,根据有限元方法得到包含液体节点压力和结构节点位移的非对称形式的耦合动力学方程组,将表征液体运动的节点压力缩聚到液体自由面,使得方程对称化。通过等价Laplace方程边值问题的求解,得到耦合动力学方程中液体对结构的附加质量矩阵、附加刚度矩阵及耦合项。简易贮箱液固耦合模态分析的算例结果表明,该分析方法能够精确、快速地获得液固耦合系统的模态频率等动力学特性。从而使得高效率的液固耦合动力学分析在工程上应用成为可能,并为运载火箭等复杂液固耦合结构的有限元建模由简化模型向三维精确模型建立和工程化应用建立了基础。     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

基于ICMCM法的GARTEUR结构有限元模型修正研究

摘要：改进的正交模型正交模态 (ICMCM) 法在进行模型修正过程中需要同时使用实验测得的频率及模态振型等数据。本文利用有限元模型的模态振型代替实验测量的模态振型并通过迭代解决了模型修正过程中缺少实验模态振型数据的问题,使ICMCM法具有更广的应用范围。根据国际认可的三级评价标准使用ICMCM法对GARTEUR飞机模型进行了修正,并与国际上其他单位的模型修正结果进行横向比较,结果证明了本文改进方法的可行性及修正结果的优越性。     

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。     

电梯系统共振失效的灵敏度研究

以曳引式电梯为研究对象,考虑电梯曳引绳刚度具有时变特性,对电梯系统建立了8自由度耦合振动的动力学模型。在对系统进行模态分析的基础之上,以影响系统模态频率的动力参数作为随机变量,结合DOE试验方法与神经网络技术,得出系统随机变量与系统模态响应之间的显性函数关系式。依据动态结构系统的固有频率与激振频率差的的关系准则,定义了系统共振的失效模式,并对系统的随机变量进行了可靠性灵敏度分析。研究表明,绳头侧刚度和曳引机支撑刚度对频率共振影响最为明显,因此,在电梯系统设计中可以通过修改该动力参数达到有效降低共振的风险。同时,在实际工作中应该严格关注和监视该动力参数的变化,避免发生共振。     

跨音轴流风扇叶片气弹稳定性研究

基于弱耦合的能量法原理,对近失速工况下NASA 67跨音风扇叶片进行了气弹稳定性分析。本文发展的三维线性插值方法为CSD/CFD数据交换提供了基础。采用FLUENT动网格技术,实现了振动叶片绕流计算。数值模拟了NASA 67叶片前三阶模态振型激励下的非定常气动响应。通过分析叶片表面非定常气动力和振动位移之间的相位差发现：该相位差的存在决定了非定常气动力做功的正、负。由叶片表面非定常压力分析结果得出近失速工况下,叶片的气动弹性稳定性受叶片模态振型和激波的影响较为显著。     

拉杆结构中弹簧刚度和有限元模型刚度融合修正方法研究

为建立更加准确的航空发动机高压转子的有限元模型,对表征高压转子拉杆结构的盘与盘、拉杆与盘之间接触的力学模型进行研究,重构了接触部位的有限元模型。提出弹簧刚度矩阵和有限元模型刚度矩阵的融合修正方法,建立了包含接触的有限元刚度整体优化模型。运用拉直算子将优化模型中需要修正的参数分离出来,结合实验模态分析得到的模态参数对有限元刚度矩阵进行了修正。实例证明修正后的有限元模型真实反映了拉杆联接的航空发动机高压转子的接触状态。     

行人SMD模型参数对人群-结构耦合动力特性的影响

分析行人单自由度弹簧-质量-阻尼器系统中模型参数的随机特性,建立步行人群-结构耦合自由振动方程,采用复模态法求解得到结构的固有频率和阻尼比。研究行人频率、阻尼比和弹性质量对结构基频和阻尼比变化率的影响;应用Monte-Carlo仿真,得到不同频率结构在不同的人群与结构质量比下的基频和阻尼比的95%及5%分位点。分析表明,当空载结构与行人的频率比约为1.1时,结构基频和阻尼比的变化率最大;空载结构基频离行人频率范围较近时,质量比增大会使结构基频和阻尼比的随机散布增大。     

模态迭代技术的试验研究

矩阵迭代法是振动系统获得模态的经典的数值方法,通常应用于有限元软件或其他数值分析领域.把该方法推广到试验模态技术领域,提出试验模态迭代法,通过假设振型以确定激振力,再激发稳态响应,数次迭代可以获得结构的模态振型.与现行结构共振试验获得模态振型思想完全不同的是,该方法同时调节激振器的激振幅值与相位,经过极少的试验周期,获得振型;振型的纯度仅仅与共振频率的试验精度有关,并且试验实现的复杂性与激振器数量无关.根据本技术进行纯模态共振试验,能极大地降低激振力调整工作量.     

浮置板轨道参数激励振动研究

浮置板轨道结构中,浮置板布置的周期性和不连续性导致轨道刚度的周期性变化。车辆行驶在浮置板轨道上时,轨道刚度的周期性变化会引起参数激励振动。为了研究该问题,将钢轨和浮置板视为模态梁,钢轨扣件和隔振器视为线性弹簧-阻尼器;车辆采用相邻车厢距离最近的两台转向架模型,建立了车辆-浮置板轨道耦合动力学模型。应用该模型分析了浮置板轨道参数激励振动的形成机理及影响因素,提出了减小参数激励振动的控制措施。计算结果表明:振动的频率成分主要为车轮通过浮置板的频率及其倍频;轮轨作用力随着车辆速度的提高而增加,随着隔振固有频率的减小而增加;调整浮置板下隔振器的位置和刚度可以降低参数激励振动引起的轮轨作用力。     

张弦梁结构振动方法索力识别(Ⅰ): 振动特性的参数分析

以构造形式简单且应用广泛的张弦梁结构为研究对象,对大跨度索屋盖结构中索的索力识别方法进行了初步研究.首先通过分析张弦梁结构的受力特点,提出了张弦梁结构下弦边索段的振动分析模型,分析此模型得到边索段的自由振动方程隐式解答,该解答反映了索力与频率、抗弯刚度及边界条件等之间的相关关系.然后通过引入一组能够反映抗弯刚度及支承条件对结构振动特性影响的无量纲参数,并利用非线性数值计算,分析了抗弯刚度及支承条件对拉索结构自振特性的影响规律,得出若干有益结论.在以上工作基础上,提出了索力识别的初步模型,可为该种结构仅利用频率测试索力提供参考.     

内燃机噪声优化对车内声学的影响研究

提出了内燃机结构辐射噪声的仿真与优化方法,评价了内燃机噪声优化前后车内噪声的变化。建立了内燃机和前围板的有限元模型,通过模态分析验证了模型的精度。采用柔性多体动力学方法计算了内燃机的振动响应,并结合边界元算法得到了结构辐射噪声。完成了机体的结构优化,通过提升刚度使整体模态频率与激励峰值频率分离,从而降低机体结构响应,减小辐射噪声。搭建了内燃机与前围板的声学耦合模型,计算得到经机体结构优化前后的内燃机辐射噪声通过前围板后进入车内的声功率。结果显示,机体的优化方案大幅降低了其辐射噪声,从而减小了整机的辐射噪声。研究内燃机噪声与车内噪声的传递路径后,发现车内噪声有了明显的下降,从而证实了优化设计的可行性和有效性。     

修改的MPA法用于连续刚构桥的抗震性能分析

弹塑性时程分析方法是计算桥梁结构地震响应较为严格的分析方法,但该方法工作量大,计算复杂,不利于工程师进行结构设计。采用基于模态的Pushover分析方法(MPA法),对某高墩连续刚构桥梁进行抗震性能分析,根据建筑结构设计规范,要求振型参与质量之和需达到90%。通过理论分析,提出以振型贡献率提取振型参与计算的加载模式,剔除振型贡献参与质量比低于1%的振型,对高墩大跨连续刚构桥进行了推覆分析。这样既避免了全部模态参与计算的繁琐,又考虑了高阶振型的影响,并与弹塑性时程响应结果进行了对比。计算结果表明,修改的MPA法(MMPA法)应用于高墩连续刚构桥的抗震性能分析是可行的。     

带耗能减震层框架-核心筒结构的简化模型与减震机理研究

提出带耗能减震层框架-核心筒结构的简化模型,将减震层等效为抗转刚度弹簧和抗转阻尼弹簧,构造减震层上部和下部的振型函数,采用假定振型法和虚功原理,推导带耗能减震层框架-核心筒结构在地震作用下的振动控制方程。以典型带耗能减震层框架-核心筒结构为例,采用MATLAB语言编制该简化模型的振动控制方程程序,并与ETABS软件建立的有限元模型进行相互验证,研究带耗能减震层框架-核心筒结构的地震反应和减震机理。研究结果表明:提出的带耗能减震层框架-核心筒结构简化模型有效、可行;利用振动方程的显示表达式揭示了带耗能减震层框架-核心筒结构的减震机理;由复模态分析方法进一步确定了不同减震层位置时结构阻尼的变化规律,优化设计的复模态阻尼比及阻尼器的优化阻尼系数可用于该类结构的初步设计。     

基于振型控制的变厚度梁的优化设计研究

提出了计算梁弯曲振动的新方法。从弯曲变形的角度出发,利用有限差分的方法,建立了梁弯曲振动的计算模型,模型同时适用于等厚度梁和变厚度梁。使用不同类型的梁对模型的准确性进行了验证,结果表明模型具有较好的计算精度。同时,尝试使用该模型进行梁的振型优化设计,对模型做适当的变形后,就可以以梁的频率和振型作为目标,通过数值方法来获取最佳的厚度分布值。最后用一个实例对方法进行了验证,结果表明利用该模型进行梁的振型优化设计是可行的。