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。     

基于测点优化与模态扩展的机械结构振动响应全场重构EI北大核心CSCD

提出一种基于测点优化与模态扩展的机械结构振动响应全场重构方法。使用D优化设计方法确定最优测点布置方案,根据模态扩展方法构造加速度响应扩展矩阵,从而实现由优化布置的有限测点的加速度响应重构机械结构全场加速度响应,并使用有限元分析软件读取重构的加速度响应,实现机械结构响应全场可视化。开展板结构数值仿真分析和振动响应重构试验,验证了当结构处于多模态共振或非共振状态下机械结构振动响应全场重构方法的有效性和鲁棒性。进一步,通过分析各阶加速度模态贡献量,精准选择主要振动模态分析机械结构的振动响应,实现了基于更少测点的振动响应全场重构。     

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。     

含裂纹梁的动力响应

本文提出了一种计算含裂纹梁动力响应的有限元方法.采用时域方法辨识出模态参数,所得固有频率随裂纹长度和位置的变化值与实验结果吻合较好.计算了裂纹闭合而引起的结构响应变化,指出:外激励均值对固有频率影响较显著.最后,给出了判断裂纹位置的方法:用一阶振型和固有频率的差异确定;由不同测点频响函数变化来估计.     

网架结构单点冲击激励的数学模型与数值分析

为了解决网架结构的主动激振难题,提出一种基于重物坠落的冲击激励新方法。将由重物、绳索和结构构成的复杂振动系统简化后,建立模拟单点冲击激励的单自由度等效振动方程,最终得到单点冲击力时程的数学表达式。将冲击力时程施加于结构便可以模拟单点冲击激励作用下结构的自由振动。以某1 200杆平板网架为例进行数值分析,考察重物质量、坠落高度、绳索弹性模量、绳索截面积和等效振动系统阻尼比等因素对最大加速度幅值的影响,并与阶跃激励(由突卸重物产生,坠落高度为零)进行比较。结果表明：最大加速度幅值对重物质量、坠落高度和绳索截面积较为敏感;当产生相同的最大加速度幅值时,冲击激励需要的重物质量远小于阶跃激励。该工作有利于提高网架结构的激振效率,并为网架结构单点冲击激励的定量分析提供有益参考。     

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。     

强震后基于泄流激励的映秀湾水电站拦河闸动态检测与损伤评估研究

以泄流荷载作为激励源,基于泄流激励对结构产生的动力响应,在模态参数识别的频域分解法的基础上,提出模态一致性函数(MCF),解决通过CMIF指示函数拾取峰值是结构真实模态频率还是噪声引起的虚假模态频率(如水流噪声频率)的主观性难题,有效地提高了泄流激励下结构模态识别精度;在此基础上,对遭受汶川大地震的映秀湾水电站拦河闸结构进行了泄流激励条件下的现场动力测试与模态识别,同时对拦河闸结构在不同部位和不同损伤程度条件下的耦合动力特性进行了数值模拟,建立了拦河闸结构损伤评估样本库,最后进行了拦河闸结构损伤评估;通过拦河闸现场围堰检查结论与本检测结果的比较,两者吻合较好.所提出的方法可为泄流结构的灾后检测与评估提供一种新的便捷手段.     

有限测点下结构参数与基底激励的同步反演

提出一种利用结构在未知基底激励作用下,少数测点上的动态响应同步反演结构物理参数与基底激励的算法。首先,利用正交多项式展开结构基底激励,推导结构动态响应对结构物理参数和正交系数的灵敏度公式,并通过引入权值,克服由于不同待识别参数之间灵敏度向量的数量级差别较大而引起的灵敏度矩阵病态问题;然后,构造同步反演结构物理参数与基底激励的识别方程,并采用阻尼最小二乘法通过迭代计算求得方程最优解,完成结构物理参数与基底激励的同步反演;最后,采用一个12层的高层框架结构验证了算法的有效性。研究结果表明,该算法可利用少数测点响应同步精确反演结构的物理参数与未知基底激励。     

一般线性黏弹性阻尼器保护系统非均匀与完全非平稳地震响应解析分析

为建立设置支撑的一般线性黏弹性耗能结构阻尼器保护系统的抗震设计和动力可靠度分析方法,提出了在非扩阶空间上,基于非均匀和完全非平稳地震激励下,设置支撑的一般线性黏弹性耗能结构阻尼器保护系统响应的通用解析解。采用设置支撑黏弹性阻尼器的最一般积分型分析模型,用微分积分方程组实现设置支撑的一般线性黏弹性阻尼耗能结构系统的非扩阶建模;采用传递矩阵法,直接获得耗能结构阻尼器保护系统在任意激励和非零初始条件下瞬态响应的非扩阶模态叠加解析解;应用此解析解和随机振动频域分析法,获得了耗能结构阻尼器保护系统在一般和8种经典均匀与非均匀非平稳地震激励以及完全非平稳地震功率谱模型下的具体响应解析解。通过减震和隔震两种典型结构的复模态法和频响函数法的理论验证分析,以及均匀、非均匀、完全非平稳算例响应分析,证明了本文方法的正确性、简易性和普适性;所获得的瞬态响应解析解和非平稳地震响应分析法,一方面可对整体耗能系统各构件进行基于泊松假设的抗震动力可靠度分析,另一方面将为结构系统建立基于反应谱的模态叠加抗震设计提供分析路径。     

海洋平台结构环境激励的实验模态分析

介绍了对位于渤海湾的“埕岛二号”中心生活平台所进行的现场测试实验,该平台为直立式导管架钢结构平台。此次现场实验是在波浪力、风等环境载荷激励下测试结构动力响应的。利用频域的模态识别法峰值法(PP)和时域中的自然激励法(NExT)结合特征系统实现算法(ERA)分别对海洋平台结构现场测试的动力响应数据进行模态参数识别;利用ANSYS建立了该平台结构的三维有限元模型,并进行结构的模态分析。海洋平台结构的理论和实验模态分析结果吻合较好,分析结果表明该类模态参数识别方法能够为结构损伤诊断提供基准模型,可以运用于实际结构的健康监测以及维护维修。     

融合多工况功率谱密度函数的工作模态分析方法

频域分解(frequency domain decomposition, FDD)方法是开展环境激励下结构工作模态分析(operational modal analysis, OMA)的常用方法。但是,现有的FDD方法存在一些不足：(1)无法剔除非白激励及谐波激励引起的虚假模态;(2)无法区分结构密集模态与不相关非白激励产生的虚假模态。通过研究发现功率谱密度(power spectral density, PSD)矩阵的秩是FDD方法性能的决定性因素。在此基础上,提出一种新的工作模态识别OMA方法,该方法结合了不同激励工况下的响应PSD函数矩阵,并分别对单个激励工况下的响应PSD矩阵与多工况下的增广响应PSD矩阵进行奇异值分解,通过对比单工况PSD矩阵与增广PSD矩阵在奇异值峰值处秩的变化,识别出包括密集模态在内的结构模态参数,并消除由非白激励产生的虚假模态。采用桁架结构仿真算例和广州塔的工程数据集验证所提方法的有效性。     

环境激励下识别结构模态自然激励-时域分解法

针对环境激励下的结构模态参数识别问题,提出识别位移模态新方法—自然激励-时域分解法。将所分析的时域分解算法原理适用条件由结构自由振动响应信号推广至普遍情况。建立自然激励技术统一模型,证明白噪声激励下结构位移响应的互相关函数经处理可获得与单位脉冲响应函数具有相同数学结构的新函数。该函数满足时域分解算法的推广适用条件。并通过数字滤波器将两者结合建立自然激励-时域分解法,该法用自然激励技术获得新函数替代时域分解算法中结构自由响应函数构造响应时间历程矩阵,可为环境激励下仅有结构有限测点响应识别位移模态提供新途径。用仿真算例验证该方法的合理性及有效性。     

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。     

基于剩余模态力和模态应变能理论的网架结构损伤识别

针对网架结构特点,引入敏感模态的概念,提出了一种识别敏感模态的算法;基于剩余模态力理论,利用敏感模态进行损伤位置识别,并建立了基于模态应变能理论的损伤程度评估算法,采用非负最小二乘法求解超静定方程组,实现定量评估损伤程度。以某实际结构为仿真对象,分析了上述算法在网架结构损伤识别中联合应用的可行性,同时将评估结果与基于最小秩摄动理论的损伤程度评估结果进行了比较研究,并考虑测试噪声影响。结果表明,二者联合工作效果较好,不仅可以识别结构单处损伤,还可以识别结构多处损伤,且损伤程度评估结果同基于最小秩摄动理论损伤程度评估结果比,更可信,将其应用于网架结构的健康诊断是可行的。     

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。     

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。     

隔震结构系统线性黏弹性液体阻尼器非平稳响应分析法

为建立线性黏弹性阻尼器抗震动力可靠度分析法和基于反应谱的模态叠加抗震设计法,对隔震系统线性黏弹性液体阻尼器时域瞬态响应的模态叠加解析解和非平稳随机地震响应分析法进行了系统研究。采用最一般的线性黏弹性阻尼器的积分型分析模型,用非对称微分积分方程组实现设置线性黏弹性液体阻尼器的隔震结构系统的时域非扩阶建模;采用传递矩阵法,直接获得隔震结构系统及其一般线性黏弹性液体阻尼器在任意激励和非零初始条件下时域瞬态响应的非扩阶模态叠加解析解;应用此解析解和快速虚拟激励法,建立隔震系统及其线性黏弹性液体阻尼器在均匀与非均匀调幅滤过白噪声非平稳地震激励下的非平稳响应分析法。所获得的时域瞬态响应解析解以及所建立的一般非平稳随机地震响应分析法,将为建立整体隔震系统各构件抗震动力可靠度和基于反应谱的模态叠加抗震设计法提供分析路径。     

浸液离心轮非接触式模态特性识别技术

针对浸液离心轮结构,提出一种非接触式模态特性识别技术,给出浸液介质对离心轮湿模态影响的量化表征。利用三维激光多普勒测振系统实现结构测点拾振,并在浸液结构中充分考虑不同介质引起的激光折射效应,采用LMS模态分析系统实现模态特性识别。非接触式模态特性识别技术获得的离心轮模态特性与常规成熟加速度传感器测试结果保持很好的一致性,该项识别技术能够很好地运用于浸液结构模态特性识别。开展离心轮在水和液氧模拟介质下模态特性测试,浸液介质导致结构频率不同程度的下降,但在不同阶次上的影响可以保持很好的一致性,不同液位浸液介质对结构模态特性表现出不同的影响规律。     

基于强震观测和ARMAV模型的混凝土坝模态识别

采用混凝土坝的实测振动响应识别结构模态参数是进行结构动力特性研究的一种可行的方式。基于混凝土坝的强震观测数据,提出采用矢量自回归滑动平均模型(Auto-Regressive Moving Average Vector,ARMAV)和稳态图法来进行混凝土坝结构模态参数识别。研究了结构实测振动响应时间序列的ARMAV模型表达形式,并通过引入辅助变量(Instrumental Variable,IV)技术,来求解模型中的未知系数;通过研究ARMAV模型系数矩阵与结构系统矩阵的关系,以便为结构模态识别提供理论依据;根据综合了各测点观测信息的平均标准化功率谱(Average Normalized Power Spectrum Density,ANPSD)来对传统的稳态图法进行改进,以实现强震激励下混凝土坝的系统定阶和虚假模态剔除。通过一个数值算例和一个工程实例,验证了提出的基于强震观测和ARMAV模型的结构模态参数识别方法的精度、有效性和工程适用性。     

基于预试验分析的复杂箱体结构试验模态研究

论述了预试验分析原理和模态测试理论,在此基础上,以某型复杂变速箱箱体为研究对象,建立其有限元模型,进行预试验分析,优化结构模态试验的响应测点数目及位置、激励位置及方向;并进行了锤击模态试验,识别出表征箱体动力学特性的各阶模态参数;通过分析试验所得频响函数和模态置信判据准则(MAC),与预试验分析进行比较,结果表明预试验确定的测点和激励点是合理的,模态试验所识别模态参数是可信的.