单点激振模态参数识别渐近不确定性及实验验证

结构模态参数(频率、阻尼比、振型等)是结构健康监测和动力测试的关键参数，其识别不确定性的准确度量将显著增强结构损伤识别和状态评估的准确性和鲁棒性。着眼于“理解”而非“计算”模态参数识别不确定性，渐近不确定性在不依赖特定数据和算法的条件下给出模态参数估计值变异系数的解析形式。该文介绍单点激振条件下结构的模态参数识别渐近不确定性，基于长数据和小阻尼比假设，给出结构的频率、阻尼比和振型后验变异系数的解析表达式，并结合一系列现场测试进行验证。该文提出的模态参数识别渐近不确定性可用于指导结构激振测试实践，致力于解决振动测试的盲目性和模态识别的被动性。     

结合振型对铸件激振参数的优化

依据振动时效机理并结合试验模态分析技术,系统研究了箱体类铸件的振动时效激振参数．结果表明,激振参数应根据铸件固有振动形态进行设计：选择振型比较均匀的低阶固有频率进行激振,激振点选择应为该阶振型的波峰位置,支撑点选择应为该阶振型的节线处．     

基于Morlet小波变换的模态参数识别研究

从卷积和Parseval定理的角度推导了小波变换系数的实用算法。以系统的自由响应数据为识别对象,给出了频率、阻尼比的参数识别方法,并重点给出了基于最小二乘法的振型识别技术。提出了基于改进Morlet小波的模态参数识别方法,对识别密集模态具有良好的效果。三自由度仿真算例表明,基于Morlet小波变换的模态参数识别技术能够以较高的精度识别出系统的频率、阻尼比和振型等模态参数。     

基于变分模态分解的模态参数识别研究

基于变分模态分解(VMD),提出一种新的结构模态参数识别方法:①通过自由振动试验或通过随机减量法从结构随机振动响应中获取结构自由衰减振动响应(FDR),并采用VMD方法从FDR中分解出结构模态响应;②通过经验包络法(EE)计算模态响应瞬时频率,并通过一种该研究新提出的方法计算模态响应瞬时阻尼比;③结构的模态振型向量可通过处理所有可用传感器得到的模态响应得到。瞬时模态频率和模态阻尼比可以捕获模态参数的任何瞬态变化。通过一系列数值和试验算例验证了该方法的有效性,突出了该方法的优势,并对该方法抗噪声性能进行了研究。研究表明,该方法适用于线性和非线性系统,且可用于识别具有密集模态和瞬态特性的系统。     

基于应变振型的振动时效激振频率的确定方法与实验研究

为了获得较为理想的振动时效效果,提出基于应变振型的振动时效激振频率的确定方法。采用ANSYS有限元软件,对构件进行数值模态分析,通过分析应变振型和残余应力的分布规律,确定了基于应变振型的振动时效激振频率的确定方法和步骤,并在此基础上进行了振动时效的实验研究,验证该方法的提出对振动时效效果改善的有效性。结果表明:对于激振频率的选择应以构件表面的残余应力分布为依据,共振应变函数ψr为准则;通过该方法合理选择振动时效的激振频率,能够获得较为理想的振动时效效果。基于应变振型的振动时效激振频率的确定方法的提出,为振动时效激振频率的确定提供了技术思路,改善了振动时效的效果,具有一定的工程应用价值。     

轮胎振动特性实验研究

利用振动实验模态分析的方法,建立了自由悬置状态下轮胎的振动特性模态测试与分析系统,通过轮胎径向激振测试信号的数据处理与分析,提取了各阶的频率及其径向模态振型,分析了轮胎的模态参数随充气压力变化的规律,为实验方法的研究和轮胎结构设计及车辆的动力性能分析提供指导。     

高层建筑气弹模型模态参数识别

以某-492m高的超高层建筑为工程背景,讨论了3种不同方法对风洞试验气动弹性模型的固有频率、固有振型和阻尼比等模态参数的识别效果.首先采用初始激励自由衰减振动试验和频域分析方法(简称"初激励频域法")对该气动弹性模型的模态参数进行了识别.然后以TJ-2风洞中人工紊流风场为环境随机激励源,对该气动弹性模型进行了环境风随机振动试验,并分别采用环境风随机振动频域分析方法和基于响应相关函数的环境风随机振动时域STD方法对其模态参数进行了识别.结果显示:对于固有频率和固有振型,上述3种方法的识别结果比较接近;对于模态阻尼比,初激励自由衰减频域法的识别结果与具有钢芯棒悬臂结构的气动弹性模型模态阻尼比的经验范围相符,但环境风随机振动法的识别结果由于模型振动响应幅值较小而明显偏大.     

风雨激振中拉索与水线耦合运动规律研究

在建立了水线运动与拉索振动相互耦合的三维连续弹性拉索风雨激振理论模型的基础上,通过振型分解,得到了以拉索各阶振型表示的拉索运动微分方程。利用该理论模型对实际拉索发生风雨激振时拉索和水线的运动规律进行了分析,结论表明:拉索风雨激振具有"限速"、"限幅"的特征;拉索的振动包含多阶拉索固有频率,拉索模态间相互耦合,并不断转化;水线沿拉索表面周向的运动具有一定的周期性,运动时程曲线并非呈正弦规律,其运动频率与拉索振动频率基本一致;水线沿拉索轴向分布不是一条直线,处于平均竖向气动力突降区的水线长度对拉索的振幅有较大的影响。     

基于跌落试验的某型地铁车体模态分析

为了测试国内某型地铁车体的刚体模态参数,对其进行跌落模态试验与分析。首先改变楔块的摆放方式,通过对车体施加沿轨道方向牵引力使车体缓慢牵引至楔块平台上,并沿规定方向将车辆缓慢推下,车体沿轨道方向运动并通过楔块完成"跌落";其次利用楔块对车辆产生阶跃冲击激励,测定车辆受到阶跃冲击后的自由衰减振动时间历程;最后采用机车车辆悬挂自振特性试验方法阶跃法对车体的模态参数进行识别。研究结果表明:通过改变楔块的摆放方式对被测车轮进行阶跃激振,可以算出测定车体的自振频率和相应的阻尼比。研究成果可以为地铁车辆的刚体模态参数识别提供指导。     

基于振型假定的旋转行波超声电机动力学模型分析

利用分析动力学的Lagrange方程,采用假定振型法将压电陶瓷诱发应变的激振效果等效成单自由度弹簧-质量系统在外力作用下的强迫振动,建立了基于压电陶瓷诱发应变激振的超声电机复合定子的机电动力学模型,可以计算出超声电机定子在特定模态下的模态质量、模态刚度、交变电压激振压电陶瓷的等效力系数等参数.     

基于VMD的建筑结构模态参数识别

在建筑结构的健康监测、控制和状态评估中经常遇到的一个关键性问题是如何根据实测响应信号准确估计结构阻尼比及自振频率等模态参数。基于变分模态分解(VMD)提出一种新的结构模态参数识别方法。该方法首先对实测振动信号进行VMD分解,获得单模态信号,然后采用自然环境激励技术(NEXT)得到单模态信号的自由衰减响应,最后利用直接插值法(DI)和曲线拟合获得结构的自振频率和阻尼比。通过三层框架结构的数值模拟验证了该方法的准确性及可靠性。利用该技术对台风“达维”作用下广州中信广场的实测加速度数据进行分析,并将估计的结构模态参数和其他识别方法的分析结果进行对比,进一步验证了该方法的准确性和有效性。     

充液贮箱液固耦合振动模态与阻尼比研究

对于液体运载火箭纵向振动的稳定性分析,在建立贮箱内液体的振动模型时,不仅需要考虑结构的弹性特性,还需要考虑液体晃动时的阻尼特性。由于模态阻尼比与一个振动周期内阻尼力做功、平均机械能及模态固有频率相关。因此可以先通过结构与液体的耦合振动分析确定其模态,进而分别计算液体与结构接触面、自由面以及液体内部阻尼力做功,同时计算平均机械能,从而得到模态阻尼比。在计算模态阻尼比时,对耦合振动的模态分析、液体内部流场计算均采用等效比拟的方法,为充分利用通用程序计算创造了条件。此方法不仅能够提高效率,同时也便于工程上的应用。     

Reduced order modeling of liquid sloshing in 3D tanks using boundary element method

This paper presents the application of reduced order modeling technique for investigation of liquid sloshing in three-dimensional tanks. The governing equations of sloshing are written using a boundary element formulation for incompressible potential flow. Then, the governing equations are reduced to a more efficient form that is represented only in terms of the velocity potential on the liquid free surface. This particular form is employed for eigen-analysis of fluid motion and the sloshing frequencies and mode shapes are determined. Then, the sloshing frequencies and the corresponding right- and left-eigenvectors are used along the modal analysis technique to find a reduced order model (ROM) for fluid motion. Using a rectangular and a cylindrical tank, the results of the ROM are verified in comparison with the analytical results. Then some example tanks are used to examine the ROM in comparison with the full boundary element model for determination of the free surface motion under the angular and lateral motion of the tank. The obtained results demonstrate the capability and accuracy of the reduced order modeling technique for analysis of sloshing using a few modes.     

考虑人-结构相互作用的楼盖振动控制研究

探讨了采用多重调谐质量阻尼器(MTMD)系统对楼盖考虑和不考虑人-结构相互作用时的振动控制。每个静止的人和调谐质量阻尼器(TMD)都作为单自由度动力系统附加在楼盖控制模态上,得出了人-楼盖-MTMD系统耦合振动方程,通过对该方程的傅里叶变换和静力缩聚法,得到了以无量纲参数表示的楼盖加速度响应。运用遗传算法,以楼盖的加速度响应最小为条件对MTMD系统进行优化,得出了对应不同MTMD系统质量比和楼盖阻尼比的无量纲设计参数(频率比和阻尼比)。通过对不考虑和考虑人-楼盖相互作用的楼盖减振控制效果进行对比,提出了考虑人-楼盖相互作用的楼盖MTMD系统的设计建议。另外,对MTMD系统由于楼盖模态质量、自振频率以及MTMD阻尼的变化所导致的去谐效应进行了讨论。最后总结了考虑去谐效应的MTMD系统的设计方法。     

匀加速激励下的液体晃动力解析计算

针对矩形容器在匀加速运动下的液体晃动问题,采用基于非线性振动的解析方法求出容器所受液体晃动力的解析近似解,并分析其非线性效应以及加速度大小和充液率的影响作用。根据流体速度势的解析解计算边壁处的流体压力,而对于部分边壁区域的流体压力则采用线性分布的近似估计。对流体压力沿边壁做积分即可获得边壁处液体晃动力的解析近似解。计算结果表明,非线性因素并不会对容器所受晃动力产生较大影响,晃动力非线性项与加速度立方成正比;充液率的变化会使得线性晃动固有频率的数值发生改变,进而对晃动力线性项造成影响,其影响程度与固有频率曲线的变化趋势较为一致。     

Analytical modeling of liquid sloshing in a two-dimensional rectangular tank with a slat screen

Potential-flow theory is employed with linear free-surface conditions, multimodal method, and a screen-averaged pressure-drop condition to derive an analytical modal model describing the two-dimensional resonant liquid motions in a rectangular tank with a vertical slat-type screen in the tank middle. The tank is horizontally excited in a frequency range covering the two lowest natural sloshing frequencies. The model consists of a system of linear ordinary differential [modal] equations responsible for liquid sloshing in compartments, as well as a nonlinear ordinary differential equation describing the liquid flow between the compartments. New experimental model tests on steady-state wave elevations near the tank wall are reported for the solidity ratios 0.328 ?? Sn ?? 0.963 where Sn is the ratio between the solid area and the full area of the screen. The experiments generally support the applicability of the model. The discrepancy can be explained by the free-surface nonlinearity. The screen acts as a damping mechanism for low and intermediate solidity ratios, but it causes an increase in the lowest resonant sloshing frequency at higher solidity ratios as if the screen had been replaced by an unperforated wall.     

切削液扰动对BTA深孔加工系统横向振动频率的影响

为探究切削液扰动下BTA深孔镗削系统横向振动频率的影响,通过建立BTA深孔镗杆系统计及内、外切削液流固耦合及其自由液面效应的横向振动模型,解析系统不同情况下的横向振动的一、二阶频率表达式,并以不同情况下,深孔镗杆内、外切削液的横截面面积及其对深孔镗杆的附加质量来表征对应的自由液面变化,通过计算,明确了BTA深孔镗杆的横向振动频率对切削液流速、轴向力的敏感性及其运动转换趋势。BTA深孔镗杆横向振动频率对轴向力的敏感性规律为:在共振脊区域,在内、外切削液都无自由液面时最大;内、外切削液都有自由液面时最小;在共振翅区域,只内切削液有自由液面时最大,内、外切削液都无自由液面时最小。BTA深孔镗杆横向振动频率对切削液流速的敏感性规律为:在共振脊区域,只内切削液有自由液面时最大,内、外切削液都无自由液面时最小;在共振翅区域,内、外切削液都无自由液面时最大,只内切削液有自由液面时最小。系统在切削液流速、轴向力达到临界等效值时,发生弯曲或屈曲;在静力失稳后,系统将会在更高的切削液流速值以混阶模态形式发生耦合颤振等复杂运动。该研究结果可为BTA深孔镗削加工的生产实践提供一定理论指导。     

A reduced order model for liquid sloshing in tanks with flexible baffles using boundary element method

In order to study the interaction of sloshing and structural vibrations of baffled tanks, a reduced order model based on modal analysis of structure model and boundary element method for fluids motion is developed. For this purpose, the governing equations of elastic structure and incompressible flow are used to derive simple models to simulate both fields. Using the modal analysis technique, the structural motions are applied to the fluid model and on the other hand by using boundary element method, the fluid loads are applied to the structural model. Based on this formulation, a code is developed which is applicable to an arbitrary elastic tank with arbitrary arrangement of baffles. The obtained results are validated with literature data and then the effects of baffle flexibility on the sloshing frequencies and structural vibration frequencies are investigated. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于加速度二次协方差矩阵参数变化比法的环境振动下结构损伤识别

在白噪声环境激励下,结构加速度响应的自相关/互相关函数构成一个新的二次协方差（CoC）矩阵,组成这一协方差矩阵的元素经证明是结构模态参数（频率、振型、阻尼）的函数;与提取模态参数的一般损伤识别方法相比,二次协方差矩阵包含结构振动的更多和更高阶模态信息。本文利用结构损伤前和损伤后的二次协方差（CoC）矩阵参数的变化比,对只基于振动输出的、环境振动下的结构进行损伤识别。对一个七层框架结构模型进行了数值模拟,首先对不同噪声程度、不同损伤位置和程度的损伤结构进行损伤定位,再结合模型修正法,对结构损伤程度进行识别,展示了该方法的有效性。