阶跃激励下网架结构的动力响应扩展及其误差分析EI北大核心CSCD

为了增加单次动力测试的可用测试信息,提出一种考虑阶跃激励作用的网架结构动力响应扩展方法。由阶跃激励引起的结构自由振动响应在任意时刻均可近似表达为少数贡献模态的线性组合。在此基础上,构造一种优选测点位置的迭代策略,以无偏估计各个时刻的贡献模态组合系数(即广义坐标),从而实现动力响应由少数测点向全自由度空间的扩展。解释了动力响应扩展的误差机理,并提出一种相关系数指标来筛选高精度非测点。以某560杆的网架结构为例进行数值分析。结果表明,该方法能方便地实现网架结构的动力响应扩展,并筛选出较多数量的高精度非测点,有利于提高网架结构动力测试的效率。     

阶跃激励下网架结构的动力响应扩展及其误差分析

为了增加单次动力测试的可用测试信息,提出一种考虑阶跃激励作用的网架结构动力响应扩展方法。由阶跃激励引起的结构自由振动响应在任意时刻均可近似表达为少数贡献模态的线性组合。在此基础上,构造一种优选测点位置的迭代策略,以无偏估计各个时刻的贡献模态组合系数(即广义坐标),从而实现动力响应由少数测点向全自由度空间的扩展。解释了动力响应扩展的误差机理,并提出一种相关系数指标来筛选高精度非测点。以某560杆的网架结构为例进行数值分析。结果表明,该方法能方便地实现网架结构的动力响应扩展,并筛选出较多数量的高精度非测点,有利于提高网架结构动力测试的效率。     

结构动力学应用中若干基本概念的研究

结构动力特性被广泛应用于结构振动控制、结构可靠性设计和健康监测,由此涉及到一些动力学基本概念的理解问题尚待深入探讨。采用一简支梁横向振动算例以及分别通过模态位移法和模态加速度法对多自由度系统的响应振幅进行分析计算,探讨结构位移响应与第一阶固有频率的关系、结构各阶位移模态的贡献与模态应变能的关系。基于模态正交性,通过分析多自由度振动系统的位移响应,论述了系统共振的必要条件,即在保证系统振动频率(某阶固有频率)等于激励频率的同时,其位移响应还应呈现出相应模态的形态;实现多自由度系统纯模态共振,可用于精确识别结构的模态参数。     

子结构传感器位置优化和响应重构

提出了一种子结构传感器位置优化和未测点结构响应重构的方法。按照结构体系,将整体结构划分为多个子结构,减少研究对象的自由度数目,然后对每个子结构单独进行传感器位置优化和响应重构。由于每个子结构的自由度数目都远小于整体结构,该方法有利于提高传感器位置优化和响应重构的效率。以最小化重构误差为目标方程,确定子结构传感器的位置和数目,并利用优化位置上的测量信息重构未测点的响应。数值算例和试验分析结果显示,利用有限测点测量信息重构的结构响应,在时域和频域里均能与计算或测量响应吻合良好。该方法不需要分割隔离各子结构和考虑复杂的边界条件,有利于该方法在大型土木工程结构中的使用。     

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。     

基于视频测量的运行状态模态分析

视频测量技术通过摄像机记录被测结构的振动过程,采用图像处理方法实现对结构上测点的多目标跟踪,具备全场非接触、测试过程简便、测量精度高等突出优点。基于摄像机成像模型,采用光束法平差提取出结构测点三维方向位移振动信息,每个测点等效于一个三轴"微位移传感器",对多测点目标跟踪可视为多通道同步数据采集。对摄像机成像系统进行校准,依照结构形状特性分布测点,由结构静止时各测点的空间位置构建出测试结构的几何模型,进行视频采集和多目标跟踪获取各测点动态响应数据,采用运行状态模态分析方法,识别出被测结构的固有模态参数。基于视频测量实现了测试结构几何建模和信号采集,并与模态分析软件紧密结合,形成了完整的视频采集与分析系统,具备良好的空间域展现能力,特别适用于柔性低频结构的动态测试与分析。以轻质风扇叶片、若干树叶等结构为对象进行实验研究,验证了该技术和方法的有效性。     

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。     

基于有效独立的改进传感器优化布置方法研究

随着结构健康监测技术的发展,传感器优化布置问题日趋突出。综合考虑有效独立法和模态动能法的优缺点,分别以平均加速度幅值和模态动能修正有效独立法的传感器优化布置结果,提出了两种基于有效独立的改进传感器优化布置方法———有效独立-平均加速度幅值法(EI-AAA)和有效独立-模态动能法(EI-MKE)。运用模态动能准则、平均加速度幅值准则、Fisher信息矩阵准则、截断模态矩阵条件数准则、模态置信准则评价并比较上述两种方法及有效独立法、模态动能法、有效独立驱动点留数法和有效独立驱动点残差法。实际钢井字梁采光顶结构算例结果表明,本文提出的有效独立-平均加速度幅值法(EI-AAA)和有效独立-模态动能法(EI-MKE)在考虑截断模态线性独立的同时都能自动选择具有较高平均动态响应和模态动能的测点位置,有较强的抗噪声性能,在六种方法中布置结果最为有效。     

砂轮划片机模态测试中的传感器测点优化研究

针对砂轮划片机这类复杂设备振动模态测试中测试时间长、传感器数目难以确定和测点难以定位的问题,提出了结合有效独立法、QR分解法及模态验证准则、香农扩展定理对砂轮划片机主系统进行测点优化的方法。采用锤击模态测试方法对某一型号的砂轮划片机测点优化前后的模态进行了测试,识别出划片机主系统的振型和模态参数,比较测点优化前后的测试结果,表明测点优化的模态测试实现了将有限个传感器布置在关键的测点位置上并获取最接近真实信息的目的,缩短了测试时间,提高了测试精度,为复杂设备的振动模态测试提供了参考。     

饲草揉碎机转子模态分析及结构优化

针对目前饲草揉碎机转子工作时存在振动、噪声大的问题,为避免发生共振,采用理论分析和有限元仿真方法对转子自由模态进行计算,并通过模态试验对理论分析和数值计算结果进行验证。在此基础上,采用流固耦合方法对转子进行预应力模态分析。对转子进行共振分析发现激振频率与转子低阶频率较接近,极易发生共振,为增大激振频率和转子低阶频率避开率,基于响应面法对影响转子振动特性的结构参数进行优化。分析结果表明:预应力对转子的前3阶模态影响较大,频率分别提高了14.01%、12.01%以及10.54%;锤架板厚度对转子第1阶频率影响较大,主轴直径次之,锤架板直径影响最小;优化后频率避开率由原来的5.03%增大为20.83%,避免了共振的发生,且转子强度和刚度均满足使用要求。     

利用机械结构的振动加速度信号反算应变的新方法

针对结构紧凑的机械结构难以采用布置应变计的方法来测量应变的问题,从动力学角度出发,采用虚拟力技术建立了实际作用力的等效力。通过进行虚拟测点的计算,以解决实际测点不足的难题。提出了加速度响应信号与输入载荷的协调方程,利用运行状态下机械结构的加速度响应信号来反算结构应变的方法。并通过工程实例得以验证。研究结果对结构紧凑、不利于进行应变测试的部位,可采用该方法进行应变数据的分析,为进行疲劳寿命分析奠定基础。     

轴向运动弦线横向共振分析

基于轴向运动弦线的横向振动复模态分析，研究轴向运动弦线的共振，并计算共振时的振动响应。     

复杂多塔结构风致响应研究

基于刚性模型风洞测压试验的结果,对一个多塔结构进行风致响应研究,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法(CQC法)进行计算.分析了结构的风致响应,计算结果表明:多塔结构各个塔顶之间的风致响应随风向具有类似的变化规律,最大总位移及加速度出现时风向基本相同;前两阶侧向弯曲振型和第三阶扭转振型对应的共振分量贡献了动力响应的主要能量.     

大跨屋盖结构风致背景响应和共振响应实用组合方法

以随机振动理论为基础,推导了大跨屋盖结构风致背景响应及其模态耦合项、共振响应及其模态耦合项以及背景响应和共振响应耦合项的计算公式,提出了考虑耦合效应的脉动风总响应组合方法;在此基础上,引入耦合效应修正系数,并根据结构动力特性与风荷载特性对提出的脉动风总响应组合公式进行了简化分析,得到了相应的实用组合公式,据此可以实现大跨屋盖结构考虑耦合效应的风致背景响应和共振响应实用高效组合。最后,通过国家体育场屋盖主结构风致背景响应和共振响应组合计算对所提方法的有效性进行了验证。     

基于相关函数矩阵及卷积神经网络的结构健康监测研究

环境激励下利用时域振动响应构建的内积矩阵是结构健康监测中一种较好的结构特征参数。为了提升结构健康监测方法的识别准确率,构建内积矩阵时往往需要较多的振动响应测点,这将直接影响方法的工程实用性。该文基于时域振动响应的相关性分析理论,将内积矩阵扩展到了相关函数矩阵,实现从少量的振动响应测点中获取更多的结构健康特征信息,以降低结构健康监测方法对测点数量的需求。进一步结合卷积神经网络优异的数据特征提取能力,以相关函数矩阵为输入、结构健康状态为输出,提出了基于相关函数矩阵及卷积神经网络的结构健康监测方法。典型航空加筋壁板螺栓松动监测的实验研究结果表明,仅采用结构上任意2个测点的时域振动响应,该文方法针对螺栓松动位置的识别准确率可达99%以上。     

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。     

基于能量的大跨屋盖结构共振响应模态耦合效应分析

提出一种简单判别共振响应模态耦合效应的分析方法,该方法综合考虑结构的动力特性和风荷载特性,定义了共振响应模态耦合系数。依据该系数,通过几个特征参数(如结构模态和风荷载信息)就可以快捷的判断模态间共振响应耦合效应强弱,实现对共振响应耦合主导模态的选取。在此基础上,给出了大跨屋盖结构考虑模态间耦合效应的共振响应实用组合方法。最后,将该方法用于国家体育场屋盖结构风致动力响应分析,验证了其有效性。     

结构动力响应扩展离散解析模式分解的截止频率优化选取方法

为对结构动力响应进行有效分解并获得分解后振动响应的时频特征,提出了结构振动响应分解的扩展离散解析模式分解。基于扩展的离散解析模式分解,提出了截止频率选取的优化方法。传统的截止频率选取方法往往是根据傅里叶频谱图来进行人为选取。然而,对于具有密集模态成分的结构振动响应或者信噪比低的结构环境振动响应,很难根据傅里叶频谱图来选取截止频率。为了更好地对截止频率进行自动化优化选取,提出用自回归功率谱代替传统的傅里叶谱选取截止频率的方法。为验证扩展离散解析模式分解方法的有效性,首先对一模拟的结构振动信号进行有效分解;然后,对一个具有密集模态的36层框架结构的数值模拟,利用所提自回归功率谱法,获得了具有密集模态的振动信号的截止频率,并对结构振动信号进行了有效的分解;最后,以吉安赣江公路大桥为工程实例,选取了大桥环境振动加速度实验数据,利用自回归功率谱找出了信号分解中的截止频率;进而利用扩展离散解析模式分解获得了大桥的前两阶振动响应,并识别出了大桥的前两阶振型。结果表明:扩展离散解析模式分解是解析模式分解在离散信号处的有效延展;同时,利用自回归功率谱在扩展离散解析模式分解中寻找截止频率的方法更为有效。     

背景响应、共振响应定义及其相关性分析方法

以模态加速度法为基础,推导了脉动风响应中背景响应和共振响应的严密数学定义;在此基础上,根据随机振动理论,推导了频域内的背景响应、共振响应,以及两者间相关性的分析方法;指出脉动风响应谱包括背景响应谱、共振响应谱和两者问的耦合谱三部分.并给出了背景响应和共振响应的精确组合方法.将该方法用于一单层球面网壳,结果表明:对于该结构,背景响应和共振响应的相关系数在[-0.3,-0.1]之间,若忽略该相关性时,将高估该结构的实际响应,比例在3%～10%范围内.     

基于多项式拟合的细长梁结构振动位移重构方法

细长梁结构易受内外因素的干扰而振动,由此引发的疲劳损伤问题不利于结构安全。实时重构结构的振动位移是健康监测和振动智能控制中的关键环节。目前,模态分析法广泛用于细长梁结构的振动位移重构,但对于边界条件复杂的细长梁结构或结构受较强非线性因素干扰时,采用模态分析法重构结构位移将存在诸多不便。针对此问题,提出了基于多项式拟合的细长梁结构振动位移重构方法,并采用延展结构边界的方式有效规避了多项式拟合经常出现的龙格现象。通过有限元模拟和实验数据的对比,验证了基于多项式的位移重构方法的精确性和可行性。结果表明:基于多项式拟合的位移重构方法适用于细长梁结构线性振动和非线性振动的位移重构;延展结构边界可有效规避多项式拟合出现的龙格现象;延展长度为0.875L～1.125L(L为细长梁结构的长度),虚拟测点应变的量级小于等于真实测点应变最大值的量级时,重构得到的结构位移精度较高。