去噪正则化模型修正方法在桥梁损伤识别中的应用

以传统基于灵敏度分析的有限元模型修正方法为基础,提出一种结合小波去噪过程的正则化模型修正损伤识别方法.为改进模型修正方法损伤识别效果,一方面利用有损结构模态与模态噪声的波形在时频域内的差异,以结构有限元模型为基准,对实测模态差进行小波去噪处理,并利用修正后的模态构造目标函数;一方面采用正则化方法改善反问题求解的非适定性.由于从输入数据和求解过程两方面同时改善了结构损伤识别反问题的求解,因此可以有效抑制实测模态参数中噪声的影响,正确识别结构损伤.以连续梁桥模型为例的损伤识别数值模拟表明,所提出方法在保持识别算法鲁棒性、抑制噪声的同时,可有效提高桥梁结构损伤的识别精度.     

单输入和多输入时域模态参数识别法的比较研究

本文利用现代控制论中可控性与可观性理论,从理论和实验两方面对模态参数时域识别法进行了分析和研究,给出了利用时域法能够识别出振动系统所有模态参数的充要条件,并对单输入和多输入识别法进行了比较,指出在重根模态和大阻尼等复杂情形下,多输入识别法拥有单输入识别法所无法比拟的优点。     

用多重频率响应函数识别多输入多输出系统的模态参数

本文提出了多重频率响应函数(MFRF)的新概念,利用该函数建立了多输入随机激励振动模态参数识别模型,给出了计算公式和算法过程。通过两个实例的分析结果表明,基于多重频率响应函数的同时频域法具有精度高、一致性和分离密模态等优点,能很好地用于大型复杂结构的振动模态试验分析。     

地面环境随机激振下大型建筑物系统识别和参数识别

本文给出了在地面环境随机激振下实际大型建筑物系统识别和参数识别的测量模型,分析了用输出响应自功率谱G_(yy)(f)和频率响应函数谱H_(xy)(f)间接和直接识别建筑物模态参数的情况,并用在单层工业厂房和高层建筑上所得之实际识别结果进行了论证。根据推得的位移表示频率响应函数与模态参数之间的关系式,用试验模态参数识别方法可满意地识别出高阶模态振型和精度比较高的模态阻尼等参数。     

基于极大似然估计的多参考点模态参数识别方法

在考虑随机噪声的情况下,实现了一种基于极大似然估计的多参考点频域模态参数识别方法。该方法采用频响函数的右矩阵分式模型,通过噪声的协方差矩阵对误差向量加权,使用离散时间域中基函数改善数值求解性态。模态参数的估计过程分为两步:首先由基于最小二乘估计的polyLSCF算法获取迭代初值,然后通过Gauss-Newton方法对极大似然函数进行迭代优化,得到精度更高的模态参数识别结果。采用GARTEUR仿真算例对所给出的方法进行了验证,结果表明:在高噪声情况下,利用噪声信息的极大似然估计方法能够显著提高模态参数的识别精度,特别是阻尼的识别精度。     

求解系统动力响应的自由界面模态综合法

本文提出了一种求解复杂结构系统动力响应的数值计算方法。该方法是自由界面部件模态综合技术的推广，在系统动力响应计算时只需用到各个子结构的模态参数和载荷特性，且不必求解整体系统的特征值问题。文末给出的算例表明该方法具有良好的精度和较高的计算效率。     

结构损伤检测的人工鱼群算法

结构损伤检测实际上属于系统识别的问题,其最终目标是识别结构损伤前后物理参数的变化。可利用实测结构模态参数建立方程求解得到结构物理参数,该过程在数学上往往转化为求解约束优化问题。由此,尝试采用人工鱼群算法来求解这类大型土木工程约束优化问题,首先介绍了算法的参数定义、行为描述及算法流程,然后利用经典测试函数对算法计算性能进行测试,最后给出了结构损伤识别这类约束优化问题的目标函数并通过数值仿真验证了该算法的有效性和鲁棒性。考虑测量噪声影响并通过不同损伤工况的数值仿真,研究结果表明,人工鱼群算法能有效地检测出损伤单元所处位置和损伤程度,因而将其应用到结构损伤检测领域是可行的。     

用卡尔曼滤波技术识别振动系统参数

本文提出了利用卡尔曼滤波技术识别线性定常振动系统参数的方法。首先,将系统动力学方程转化为离散的可观标准型状态方程,为了应用卡尔曼滤波技术,再将一个单输入多输出系统的标准型参数识别问题转化为若干个单输入单输出系统的状态估计问题。接着,介绍了三组实用的滤波公式,以及选取滤波器所需的初始信息的方法。然后列出了由滤波得到的标准型参数求得振动系统复模态参数和固有模态参数所用的转换公式。最后对本文提出的公式进行了讨论,并给出了一个模型的模拟试验结果。     

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。     

多元统计分析的模态参数辨识方法比较及应用

工作模态参数辨识是实现飞行器结构精细化设计和安全评估的关键基础问题。基于结构响应数据,利用盲源分离和流形学习的方法进行系统模态参数辨识,建立基于多元统计分析的工作模态参数辨识方法。首先,从主成分分析(PCA)、独立成分分析(ICA)和局部线性嵌入(LLE)算法出发,建立响应模态坐标表示与多元统计分析算法之间的内在联系,将模态参数辨识问题转化为基于结构响应数据的多元统计分析求解问题。然后,设计1个离散3自由度系统和搭建1个悬臂板典型实验结构系统,获取数值仿真和实验响应数据。最后,基于测量的响应数据,利用多元统计分析方法辨识系统参数,并分析比较3种不同方法的模态参数识别精度以及抗噪性能。数值仿真和实验结果表明,提出的多元统计分析方法能够有效识别出系统的模态振型和模态频率,且LLE算法较其他两种方法具有更高的识别精度和鲁棒性。     

Identification of the Damping Properties of Orthotropic Composite Materials Using a Mixed Numerical Experimental Method

A mixed numerical experimental approach is the basis of a new method for the identification of the material damping properties of fibre reinforced polymers, which provides an answer to many problems encountered in experimental damping characterization. Experimental modal parameters, measured on a plate specimen, are compared with corresponding results from a numerical calculation, thus allowing to determine the stiffness and damping properties of the material. The relation between the modal parameters (structural parameters) and the material parameters, is obtained by using a numerical model of the specimen in combination with the modal strain energy method. In the first part of this paper, the complex moduli are introduced as measures for both material stiffness and damping and the relation between these complex moduli and the modal parameters of a thin plate specimen is derived. Next, the practical procedure of the mixed numerical experimental method is presented, followed by a procedure for estimating the reliability of the obtained results. Finally, two examples are discussed in which all the independent material damping properties are identified as functions of frequency.     

大型桥梁模态参数识别的一种方法

提出一种综合运用经验模态分解(EMD)与随机减量技术(RDT)来识别大型桥梁模态参数的方法。首先利用EMD将桥梁在环境激励下的非平稳响应分解成一系列准平稳的本征模函数(IMF)分量,然后用RDT从中提取自由衰减响应,最后将该自由响应表达为一般解析形式,综合运用参数识别理论、最优估计理论识别出桥梁结构的多阶模态参数。利用南京长江大桥实测动力响应识别该桥的模态参数,并将识别结果与有限元分析结果及有关实测值进行比较,表明该方法具有很好的识别精度,适用于大型桥梁的模态参数识别。     

轮胎模态分析试验研究

为了优化轮胎模态试验方法,得到精确的轮胎模态参数,结合LMS Test Lab,研究模态试验三要素的选用原则,即测点布置、边界约束和激励形式的选取方式。试验结果表明：(1)对轮胎单一胎面进行模态测量,存在模态遗漏现象,且轴向与径向阵型易混淆,因此须进行轮胎三胎面(内胎面、正胎面、外台面)布点测量;(2)胎面整周少于36个测点时,轮胎高阶次花瓣阵型难以清晰呈现,因此须于三个胎面等角度间隔平行布置36×3个测点;(3)轮胎处于整车安装离地状态受激励时,支撑位移量微小,优于软绳约束状态;(4)激振器激励信号相干系数达到1,优于力锤锤击信号,并且使试验进行更加便捷与高效。本文提出了一种新的轮胎模态测试方法,并应用此方法得到了准确的轮胎模态参数,研究结果为轮胎噪声与振动控制提供了基本依据。     

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。     

应用时频分析方法辨识时变系统的模态参数

应用Gabor展开及Hilbert变换进行时变线性系统模态参数的辨识。利用非平稳信号的Gabor变换将结构响应信号表示在时频面上，并通过Gabor展开重构分离模态分量，建立每一阶模态的时变线性模型。对单模态时变线性模型应用Hilbert变换来辨识随时间变化的模态频率和阻尼。通过对刚度和阻尼慢变的两自由度系统模态参数的仿真辨识验证辨识方法的有效性。仿真结果表明：本文方法为时变线性系统的模态参数辨识提供了一条新的途径。     

An improved perturbation method for stochastic finite element model updating

In this paper, an improved perturbation method is developed for the statistical identification of structural parameters by using the measured modal parameters with randomness. On the basis of the first‐order perturbation method and sensitivity‐based finite element (FE) model updating, two recursive systems of equations are derived for estimating the first two moments of random structural parameters from the statistics of the measured modal parameters. Regularization technique is introduced to alleviate the ill‐conditioning in solving the equations. The numerical studies of stochastic FE model updating of a truss bridge are presented to verify the improved perturbation method under three different types of uncertainties, namely natural randomness, measurement noise, and the combination of the two. The results obtained using the perturbation method are in good agreement with, although less accurate than, those obtained using the Monte Carlo simulation (MCS) method. It is also revealed that neglecting the correlation of the measured modal parameters may result in an unreliable estimation of the covariance matrix of updating parameters. The statistically updated FE model enables structural design and analysis, damage detection, condition assessment, and evaluation in the framework of probability and statistics. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于模态参数及BAS-PSO优化算法的软基水闸有限元模型参数修正方法

正确合理的有限元模型对于软基水闸结构健康监测及性能评估至关重要,但水闸有限元模型参数的不确定性使得建立的水闸有限元模型难以准确地反映水闸结构真实的动力学特性,该文结合模态参数和基于天牛须搜索算法的粒子群(BAS-PSO)优化算法,提出了一种软基水闸有限元模型参数修正方法。选择对水闸模态参数影响较大的弹性模量和密度作为待修正参数,建立反映软基水闸待修正参数和模态参数之间非线性关系的基于遗传算法的支持向量回归(GA-SVR)代理模型;提出基于GA-SVR代理模型计算模态参数与水闸振动模态参数之间相对偏差最小的目标函数,构建软基水闸有限元模型参数修正的最优化数学模型;提出一种BAS-PSO优化算法来求解最优化数学模型,克服了局部最优和收敛速度慢的问题。通过软基水闸物理模型实例表明,修正的有限元模型计算的模态参数与水闸识别模态参数在数值上比较吻合,该文方法合理可靠且具有良好的可行性,可为软基水闸有限元模型参数修正提供一条新思路。     

中、下承式钢管混凝土拱桥面内振动模态分析

采用Katayama提出的随机子空间识别法对环境脉动下八座钢管混凝土拱桥实测动力响应进行识别,与采用最大熵谱法获得的计算结果进行的比较验证了采用方法的正确性。建立了实测桥梁的有限元模型,理论模态与试验模态吻合良好,讨论了主拱跨径、截面和桥道系结构等结构参数对钢管混凝土拱桥面内振动模态特性的影响,指出了钢管混凝土拱桥面内一阶基频的统计近似公式的局限性,提出了基于Rayleigh能量法的静力计算方法,可用于预估和校核中、下承式钢管混凝土拱桥面内低阶频率。     

Flexibility-based structural damage identification using Gauss–Newton method

Structural damage will change the dynamic characteristics, including natural frequencies, modal shapes, damping ratios and modal flexibility matrix of the structure. Modal flexibility matrix is a function of natural frequencies and mode shapes and can be used for structural damage detection and health monitoring. In this paper, experimental modal flexibility matrix is obtained from the first few lower measured natural frequencies and incomplete modal shapes. The optimization problem is then constructed by minimizing Frobenius norm of the change of flexibility matrix. Gauss–Newton method is used to solve the optimization problem, where the sensitivity of flexibility matrix with respect to structural parameters is calculated iteratively by only using the first few lower modes. The optimal solution corresponds to structural parameters which can be used to identify damage sites and extent. Numerical results show that flexibility-based method can be successfully applied to identify the damage elements and is robust to measurement noise.     

2.5维C/SiC复合材料板弹性参数识别方法研究

以大型商业有限元软件NASTRAN为计算平台,提出了基于模态试验结果的2.5维C/SiC复合材料板弹性参数识别方法。基于复合材料板的模态试验结果,采用模型修正的思想构造优化问题,其中目标函数定义为实测模态频率与计算频率之差的平方和,将以刚度平均法获得的复合材料弹性参数的理论预测值作为优化问题的初值,充分利用了材料参数的先验信息,然后对材料参数进行灵敏度分析,通过迭代求解识别出复合材料板的弹性参数。识别后,C/SiC复合材料板第1-4阶模态频率的复现精度明显提高,并能保证第5-8阶模态频率的预示精度。研究结果表明,方法能准确识别2.5维编织C/SiC复合材料的弹性参数,并为复合材料等效建模以及进一步动态特性研究提供参考。