环境激励下线性结构模态参数辨识方法的最新进展

本文根据国内外最新文献,对目前环境激励线性结构模态参数的辨识方法如频域分解法、ARMA模型法、NExT法、随机子空间法、时频分析方法和基于相关函数分解法等进行了评述,讨论了各方法在理论上和实际应用中存在的问题,对环境激励的模态参数识别方法的发展方向和趋势进行了探讨.     

非稳态环境激励下线性结构的模态参数辨识

假定任意随机激励信号由白噪声与非白噪声信号组成，由此导出线性结构响应之间的相关函数由两部分组成，一部分与脉冲响应具有相同的数学形式，另一部分为其它形式，利用模态分解法的基本原理，把相关函数分解为各个模态函数的叠加与余项之和，这样，第一部分信号已经分解为不同的模态函数，第二部分中的周期信号也变成了模态函数，这就把非稳态环境激励下多自由度线性结构系统的模态参数辨识问题转化为类似于已知各个单自由度系统的脉冲响应进行模态参数辨识问题，理论和模拟实验表明，本文成功地利用模态分解法进行非稳态环境激励下多自由度线性结构系统的模态参数辨识，其主要优点是，无论是白噪声激励，稳态随机激励还是非稳态随机激励，仅根据结构的响应不仅能辨识线性结构的模态参数，而且能有效地识别出环境激励中的周期成分。     

一种非稳态环境激励下线性结构的模态参数辨识方法

假定任意随机激励信号由白噪声与非白噪声信号组成,由此导出线性结构响应之间的相关函数由两部分组成,一部分与脉冲响应具有相同的数学形式,另一部分为其它形式.利用模态分解法的基本原理,把相关函数分解为各个模态函数的叠加与余项之和.这样,第一部分信号已经分解为不同的模态函数,第二部分中的周期信号也变成了模态函数.这就把非稳态环境激励下多自由度线性结构系统的模态参数辨识问题转化为类似于已知各个单自由度系统的脉冲响应进行参数辨识问题.理论和模拟实验及斜拉桥模型参数辨识实例表明,已成功地利用模态分解法进行非稳态环境激励下多自由度线性结构系统的模态参数辨识.其主要优点:一是无论是白噪声激励、稳态随机激励还是非稳态随机激励,仅根据结构的响应辨识线性结构的模态参数;二是能有效地识别出环境激励中的周期成分.     

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。     

基于环境激励的模态参数辨识方法综述

本文首先对环境激励下模态识别方法进行了综述，对目前的几种识别方法的原理、识别精度及适用条件进行了论述，并比较了这些方法各自的特点，参照国内外最新文献，提出环境激励下模态参数识别方法需解决的关键问题及研究发展方向。     

基于延时随机子空间方法的非白噪声环境激励结构模态参数识别

为了消除非白噪声环境激励在结构模态参数识别结果中产生的虚假模态,引入扩展状态模型,从状态空间方程的角度论证了虚假模态产生的原因;然后,针对一类具有典型性和代表性的（自相关函数在纵坐标轴附近一定范围内有非零值的）非白噪声环境激励信号,在传统随机子空间算法的基础上引入延时指标,建立延时随机子空间方法。数值算例表明延时随机子空间方法能够有效地剔除非白噪声环境激励在模态参数识别结果中产生的虚假模态,放宽了传统模态参数识别方法对环境输入的白噪声假设。     

一种随机激励下时变结构工作模态辨识方法

时变结构在随机激励下的瞬时频率辨识始终是一项充满挑战的任务。结合图像处理技术和基于能量的脊线检测方法,提出一种自适应提取时频脊线的方法,其优点在于无须先验信息（如分量个数、分量带宽）即可实现时频域内所有分量脊线的提取,同时增强脊线提取的稳定性。在已知瞬时频率的基础上,又利用多通道固有啁啾分量分解方法实现时域内各通道各频率成分的同步分离,通过计算各分量的瞬时振幅比值获得瞬时振型。白噪声激励下的三自由度时变结构仿真和色噪声激励下的充液圆筒放水实验证明了该方法的有效性、鲁棒性和实用性。     

风载和冲击载荷激励下的框架结构的模态参数辨识

通过测量框架结构在风载和冲击载荷作用下的加速度响应,使用子空间辨识方法从响应信号中提取结构的模态参数.冲击载荷能改善响应信号的信噪比,减小风载的不平稳随机干扰对参数估计的影响.在参数提取算法中,通过构造特殊形式的辨识矩阵,将特征频率、阻尼比和特征振型估计分两步完成,即先估计特征频率、阻尼比,后估计特征振型.该方法提高了密集模态在强噪声干扰下的可辨识性,同时增强了虚假特征的识别能力.     

CⅡ海洋平台动力响应及模态参数辨识

根据CⅡ平台的设计资料，应用ANSYS大型有限元软件对平台进行有限元建模，考虑平台服役海域环境条件及平台设计标准，采用JONSWAP谱描述随机波面，应用Morison方程描述作用在平台桩腿上的波浪载荷，评估了平台振动水平，确定y方向为主振方向。应用随机减量技术提取平台特征节点处的自由振动衰减信号，较正确地识别出平台6阶固有频率，同时识别出相应的模态阻尼比系数。     

环境激励下结构模态参数识别方法综述

该文对环境激励下结构模态参数识别的16种常用算法进行了概括综述。该文将模态参数识别算法分类为时域、频域两类,并针对算法流程进一步地将时域方法分为一步法与两步法。在分类的基础上,阐述了算法的适用条件与基本流程,对其中一些重要算法的理论与实现过程进行了详细地讨论。最后,对结构模态识别中的模态验证方法进行了简要地论述。     

随机激励下基于ICA的结构模态参数识别

简要介绍独立分量分析(ICA)的基本原理,提出将ICA方法与随机减量法(RDT)结合起来用于随机激励下结构的模态参数识别。结合数值仿真算例和振动试验分析,验证所提出方法用于随机激励下结构模态参数识别的有效性。结果表明,ICA可以准确地从结构随机振动响应信号中分离出各源信号,并同时估计出各阶模态振型向量,源信号与结构模态坐标存在一一对应关系,再结合随机减量法和单模态识别法可识别各阶模态的频率和阻尼比。该方法仅利用振动系统的输出响应进行分析,适用于随机激励下结构的工作模态参数识别。     

环境激励下结构模态参数识别的改进ITD法

结合随机子空间法（SSI）提出了环境激励下结构模态参数识别的改进ITD法。随机子空间法的识别精度高,其中数据的协方差计算可以保留原始数据中的所有信息,同时去除了噪声,得到的Toeplitz矩阵中的数据可以作为ITD法的输入数据,这样ITD法不再需要采用随机减量法或者自然激励技术（NExT法）进行前处理,从而避免了这两种前处理方法的不准确性带来的误差。通过环境振动下四层钢框架模型试验的位移响应,对提出的改进ITD法进行了验证。与ITD法相比,改进的ITD法明显提高了对频率和阻尼比等结构模态参数的识别精度,表明改进ITD法可应用于结构的模态参数识别;与SSI法相比,改进ITD法精度没有降低,同时缩短了计算时间,这将为该方法应用到结构的实时监测提供了可能。     

泄洪激励下高拱坝模态参数识别研究

模态参数的准确识别是对在线结构进行健康监测和损伤诊断的难点和核心之一。以拉西瓦拱坝水弹性模型为工程背景，对拱坝的模态参数进行时域识别。针对时域法所面临的噪声干扰以及由它引起的虚假模态识别与剔除和模型定阶问题，用小波技术对时域信号进行了消噪处理，综合自然激励技术和特征系统实现算法对环境激励下的拱坝结构进行模态参数识别，并用模态置信因子对虚假模态进行剔除。引入奇异熵的概念，建立了用奇异熵增量来实现系统定阶的方法和过程，研究表明，该方法得到的系统阶次有效可靠，使得定阶的界线更加清晰和稳定，避免了其它时域算法对系统定阶的盲目性，提高了数据处理和模态参数识别的速度。     

高拱坝泄流激励下基于频域法的工作模态参数识别

水工结构的模态参数是评估在役水工结构运行状态的指标之一,水工结构运行状态健康诊断的核心技术之一就是如何通过各种技术手段获取结构的模态参数指标.研究高拱坝在泄流激励荷载作用下,仅利用结构输出响应识别结构工作模态参数.首先,对高拱坝泄洪诱发振动的激振荷载特性进行了研究;其次,分别建立了以典型水流脉动荷载和白噪声荷载作为输入激励的悬臂梁动力响应数值模型,仅利用输出响应识别了悬臂梁的模态参数,并对识别结果进行了对比分析,论证了以水流脉动荷载作为未知输入仅利用流激振动响应进行结构工作模态参数识别的可行性.最后以二滩拱坝泄洪振动原型观测数据为基础,对二滩拱坝的泄洪工作模态参数进行了识别并评估了该拱坝的泄洪动力性态.     

全相干多点随机激励下的模态参数识别

本文讨论全相干多点随机激励下频响函数的估计、相干函数计算及模态参数识别;设计了用单点激振模态分析设备获取多点激振下的频响函数和模态参数的方法;分析了激振力的非比例误差和非全相干误差对分析精度的影响及补偿措施;并提出了一个输入、输出噪声同时存在情况下提高频响函数估计精度的计算公式;用全相干多点激振的观点分析讨论了机床的相对式激振试验并作出了有关结论,最后对以上理论进行了工程应用考核,取得较好的效果.     

基于工作模态法的动力总成刚体模态参数识别

介绍工作模态法(PolyMax方法)进行动力总成工作模态分析的优点,并模拟整车工作情况下对动力总成的模态参数进行识别,得到动力总成的各阶刚体模态,通过实验识别模态和理论计算模态的对比,说明采用工作模态法能够较准确地识别出动力总成的实际刚体模态.     

结构应变模态识别的随机子空间方法

利用应变位移关系,建立了以应变及应变率为状态变量表示的系统随机状态空间模型,在此基础上,比拟实验位移模态分析的随机子空间方法,建立了实验应变模态分析的随机子空间方法.数值仿真表明此算法可以准确辨识结构应变模态.由于此方法仅需要结构输出量,可应用于环境激励下结构应变模态参数识别.     

一种水电厂房振动模态参数识别方法

水电厂房的振动是机械力、电磁力、水力脉动共同作用的结果,其动荷载很难测得,结构模态参数识别的难度不言自明。为解决以上困难,提高厂房结构振动模态参数识别的精度,在厂房结构各种荷载未知的情况下,将突然停机工况下动荷载释放后的振动信号,利用随机减量法提取自由衰减信号成分,以基于ARMA模型参数识别法实现了对某大型水电站厂房低阶模态参数的识别。识别结果表明,随机减量法和ARMA联合分析方法是解决大型复杂厂房结构动态参数识别的有效方法,识别结果可用于结构物的健康监测和振动控制中,同时该方法在大型水电站厂房振动模态参数的在线识别领域中具有广阔的工程应用前景。