应变传递率运行模态分析方法及应用

运行模态分析方法在推导过程中多假设激励为白噪声,造成在应用上有一定的局限性。为解决此问题,提出一种利用应变测量的传递率运行模态分析方法。首先推导应变传递率表达式,利用两种不同载荷情况下的应变传递率函数构造伪频响函数矩阵,采用频域子空间估计方法来识别系统极点,然后使用奇异值分解技术对传递率矩阵分解获得模态振型。采用有限元仿真算例和飞行颤振试验数据对所提方法进行验证,结果表明,在非白噪声激励条件下,该方法仅利用测量的应变响应就可准确识别结构模态参数。     

基于响应传递率的非白随机激励仅输出结构模态参数辨识

在对工作状态的航天器等结构进行仅输出模态参数辨识时,激励非白造成了无法剔除谐波引起的虚假模态。为解决此问题,该研究对最新的基于结构响应传递率的模态参数辨识方法进行了改进,提出了一种改进的基于多参考点响应传递率的仅输出模态参数辨识方法。首先,推导了多参考点的结构响应传递率表达式,建立了其左矩阵分式多项式的参数化模型,进而给出了辨识问题的最小二乘估计,利用正则方程Jacobi矩阵的分块性质对最小二乘问题矩阵形式完成了缩减,降低了计算量;然后,通过高维伴随矩阵方法解决了矩阵多项式的特征值求解问题,即多参考多输出的模态参数求解问题,以及通过矩阵伪逆解决了现有方法中载荷工况数与响应点数和参考点数的约束问题;最后,通过两个数值算例对所提方法进行了验证,辨识结果表明:辨识方法能够很好的辨识出结构的模态频率、阻尼比和模态振型,且能够很好的避免激励中含有的谐波分量对辨识结果造成的影响,解决了传统仅输出模态参数辨识中激励非白对辨识结果造成的影响问题。     

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。     

随机荷载作用下参数不确定结构的疲劳损伤估计

基于改进区间分析和频域疲劳计算方法,对参数不确定结构在平稳高斯荷载作用下的疲劳损伤进行研究,提出完全混合和简化计算两种方法。采用区间变量模型定义结构的不确定参数,功率谱密度描述外荷载的随机性;利用有理级数显式表示结构区间频响函数及在平稳高斯荷载作用下不确定结构的应力响应区间。通过数值方法验证疲劳损伤期望率关于不确定参数的单调性后,将应力响应中不确定参数的界限完全组合提出完全混合方法,准确估计参数不确定结构的疲劳损伤期望率区间;简化计算方法则将不确定参数的界限适当组合,由显式表达式近似计算结构的疲劳损伤期望率区间。算例表明,两种方法均具有较高计算精度,且大幅减少计算量。     

船体梁在近距爆炸冲击波作用下动态响应的相似律研究

以船体梁在爆炸冲击波作用下发生整体塑性运动响应的理论方法为基础,首先确定了影响梁整体结构最终塑性变形的相关物理量,利用定律对该问题进行相似性分析,给出相似参数和准确相似条件。研究了考虑结构应变率强化效应造成的相似畸变问题,分析了模型缩比尺度、模型应变率大小以及不同结构材料对相似误差的影响。研究发现:随着缩比尺度的减小,或结构应变率响应值的增大,预报误差将增大;所用结构材料的应变率敏感度越高,模型预报原型的误差越大。结论可用于指导船体梁在水下爆炸冲击波作用下动态响应的模型试验设计。     

应变功率谱密度传递比与工作应变模态参数识别EI北大核心CSCD

选取一个应变响应测点作为参考点,定义了响应应变功率谱密度传递比(Strain Power Spectrum Density Transmissibility,SPSDT),从理论上证明了SPSDT在系统的极点处为应变振型系数之比。利用这一性质,选取一系列不同的参考点构造响应应变功率谱密度传递比矩阵,在系统的极点处对该矩阵进行奇异值分解,分解所得左奇异矩阵的第一列向量即为应变振型,从而实现结构工作应变模态参数的识别。与传统的工作模态分析方法相比,SPSDT方法不需要对激励做白噪声假定,不需要多种激励类型,仅在一种激励下即可识别出结构的工作应变模态参数。通过数值模拟算例和实验室模型试验验证了所提出方法的有效性,并与传统的频域分解法和随机子空间识别方法进行了比较,验证了所提出方法是有效的。最后分析了采样时长对识别结果的影响,结果表明该方法仅用1min时长数据即可达到稳定的识别精度,具有较好的鲁棒性。     

小变形条件下聚合物本构关系研究

通过两种工程塑料不同温度条件下的准静态和动态压缩试验,研究这两种工程塑料的应力应变特性。同时,为描述所研究聚合物在高温、高应变率下的应力-应变特性,基于Johnson-Cook本构模型,建立一种形式简洁、便于参数拟合的聚合物本构模型。分别利用聚甲醛和密胺树脂在准静态下和高应变率条件下的真应力-真应变曲线,对模型进行参数拟合和标定,结果表明:在高温、高应变率条件下,模型可以预测到5%应变以前的应力-应变关系,与聚合物力学性质符合率良好。     

一种隔离损伤的桁架结构性态识别方法

结构损伤的准确识别是结构健康监测的重要内容,由于识别的模型需要实时修正,使得结构整体刚度矩阵的更新和分解往往占用大量时间。该文基于隔离非线性理论,提出了一种隔离损伤的桁架结构性态识别方法。该方法将截面的应变分解成弹性应变和损伤应变,从截面刚度退化角度定义材料损伤,将表征损伤的刚度矩阵从整体矩阵中隔离出来,实现模型中损伤隔离,在迭代计算时避免了结构整体刚度矩阵的实时更新和分解,只需对规模较小表征损伤的刚度矩阵进行更新和分解,提高了损伤识别的求解效率。最后,以某实际钢桁架桥为例,对其主桁弦杆的损伤识别进行了数值模拟研究,设计了两种静力荷载工况对该方法进行验证。结果表明:当桁架结构发生局部损伤时,该方法可以准确高效地识别出发生损伤的位置和程度。     

基于遗传算法的分支管路系统动力学优化设计

首先给出了传递矩阵法计算管路动力学问题的一般步骤和任意管路分支元件吸收传递矩阵法点传递矩阵的建立过程,实现了分支管路系统动力学问题的求解并通过与实验结果的对比证明其正确性;之后基于选定的分支管路设计基础模型,利用均匀设计原则选取计算样本并应用传递矩阵法对样本模型进行计算,最后利用二阶多项式响应面函数逼近回归模型并应用遗传算法寻优,对分支管路进行优化设计,通过吸收传递矩阵法、均匀设计原则和数学建模优化的方法,更好地节省计算成本和资源,对分支管路设计过程有一定的指导意义。     

振动响应传递率及其工作模态分析方法综述

基于振动响应传递率的工作模态分析方法是近年来出现的一类新的频域工作模态分析方法。由于振动响应传递率独特的动力学特性,该类方法得到了迅速的发展。从以下三个方面对振动响应传递率及其工作模态分析方法进行综述:振动传递率的概念、振动传递率的估计方法和基于振动传递率的工作模态辨识方法。在对各种辨识方法原理介绍的基础上,分析其特点及其存在的问题。结合多自由度系统模型,采用四种具有代表性的辨识方法对不同激励情况下的工作模态进行辨识,并对辨识结果以及方法的局限性进行了分析比较。     

路噪结构载荷模拟方法研究

工况传递路径分析(Operational Transfer Path Analysis,OTPA)方法用于道路噪声分析的效率较高,但在相关的激励源同时作用于系统或传递路径之间存在强耦合时,传递率矩阵的求解结果会出现严重偏差,无法保证其精度。针对激励源同时作用的问题,提出以一个试验台为依托,用激振器将路面噪声(简称：路噪)结构载荷可控地作用于车辆,实现从较少的工况数据中获得参考响应信号的列满秩矩阵,进而求解传递率矩阵。试验台经有限元仿真优化及试验验证后,用试验台及汽车底盘测功机分别作为激励源,在半消声实验室进行两组试验。试验结果表明两种激励方式相干函数在50~400 Hz频段内整体上接近1,同时在该频率范围内,两种激励方式获得的传递率曲线一致性较好,说明文中所提方法能够较好地模拟路噪结构载荷。     

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。     

钢箱梁桥海量应变监测数据分析与 疲劳评估方法研究

海量监测数据的分析与应用是桥梁结构健康监测研究中的重要问题之一,以润扬大桥钢箱梁的长期应变监测数据为研究对象,研究了海量应变监测数据分析与疲劳评估方法。首先,基于Eurocode3规范的S-N曲线和Palmgren-Miner准则建立了焊缝疲劳损伤分析及寿命预测方法。其次,研究了应力循环的快速提取及应变数据中随机干扰成分的剔除方法。在此基础上,讨论了对公路钢箱梁桥开展长期持续疲劳监测的必要性,并给出了润扬大桥钢箱梁焊缝的疲劳寿命预测值。研究发现,采用MATLAB与C语言联合编程的雨流计数法可快速处理海量应变监测数据;根据对焊缝疲劳损伤的贡献可确定有效应力循环阀值,从而剔除由随机干扰引起的数量极多但幅值较小的应力循环;焊缝疲劳损伤在一年内会发生大幅度的变化,短期应变监测数据可能导致焊缝疲劳寿命评估值出现较大的偏差。     

缓冲材料振动传递特性测试系统数据处理

目的 研究缓冲材料振动传递率曲线的实现方法。方法 讨论了时域和频域分析方法的原理、 算法和具体实现过程; 在频域分析过程中, 采用加窗函数减少能量泄漏, 采用韦尔奇方法改进功率谱估计的方差特性; 采用振动台、 振动控制仪、 A/D转换板、 加速度传感器等硬件, 以正弦扫频方式对由质量块和缓冲材料组成的包装系统进行激励, 通过对采集到的激励信号和响应信号的分析处理, 得出缓冲材料时域和频域分析方法的振动传递率。结果 基于数据分析处理和振动传递特性测试实验的原理, 利用软件LabVIEW编制程序, 实现了缓冲材料振动传递特性测试系统的开发和振动传递率曲线的2种绘制方法, 2种方法得到的曲线比较接近。结论 该测试系统操作简单, 人机界面友好, 为缓冲包装材料的优化防振设计提供了强有力的工具。     

Global‐local fatigue assessment of an ancient riveted metallic bridge based on submodelling of the critical detail

Increasing traffic demands (ie, load intensity and operational life) on ancient riveted metallic bridges and the fact that these bridges were not explicitly designed against fatigue make the fatigue performance assessment and fatigue life prediction of riveted bridges a concern. This paper proposes a global‐local fatigue analysis method that integrates beam‐to‐solid submodeling, elastoplastic of material in local region, and local fatigue life prediction approach. The proposed beam‐to‐solid submodeling can recognize accuracy local stress/strain information accompanying with the global structural effect on the fatigue response of local riveted joints. The fatigue life is predicted based on cumulative damage rule, local strains, and number of cycles with consideration of traffic data, where the relation between the fatigue life and local strain is derived according to the Basquin and Manson‐Coffin law. Besides, the elastoplastic of material is considered. The proposed methodology for fatigue life prediction based on local strain parameter and the Palmgren‐Miner linear damage hypothesis is implemented in a case study of an ancient riveted bridge.     

Comparison of local stress based concepts — Effects of low-and high cycle fatigue and weld quality

This paper presents a study of the ability for two stress based methods, the effective notch stress method and the structural stress approach, to estimate the fatigue life in the low cycle and the high cycle fatigue regime, considering the weld quality. Two different non-load carrying joint configurations were considered, cruciform joint and T-joint. The conducted fatigue analysis shows that both methods are capable to estimate the fatigue life with good accuracy within the low cycle and the high cycle regime. The effective notch stress generally shows a smaller scatter, it also considers increased weld quality with good accuracy, in contrast to the structural stress approach.     

Measuring strain distributions in amorphous materials.

A number of properties of amorphous materials including fatigue, fracture and component performance are governed by the magnitude of strain fields around inhomogeneities such as inclusions, voids and cracks. At present, localized strain information is only available from surface probes such as optical or electron microscopy. This is unfortunate because surface and bulk characteristics in general differ. Hence, to a large extent, the assessment of strain distributions relies on untested models. Here we present a universal diffraction method for characterizing bulk stress and strain fields in amorphous materials and demonstrate its efficacy by work on a material of current interest in materials engineering: a bulk metallic glass. The macroscopic response is shown to be less stiff than the atomic next-neighbour bonds because of structural rearrangements at the scale of 4-10 A. The method is also applicable to composites comprising an amorphous matrix and crystalline inclusions.     

Reliability updating with equality information

In many instances, information on engineering systems can be obtained through measurements, monitoring or direct observations of system performances and can be used to update the system reliability estimate. In structural reliability analysis, such information is expressed either by inequalities (e.g. for the observation that no defect is present) or by equalities (e.g. for quantitative measurements of system characteristics). When information Z is of the equality type, the a priori probability of Z is zero and most structural reliability methods (SRM) are not directly applicable to the computation of the updated reliability. Hitherto, the computation of the reliability of engineering systems conditional on equality information was performed through first- and second-order approximations. In this paper, it is shown how equality information can be transformed into inequality information, which enables reliability updating by solving a standard structural system reliability problem. This approach enables the use of any SRM, including those based on simulation, for reliability updating with equality information. It is demonstrated on three numerical examples, including an application to fatigue reliability.