运行模态分析中固有模态和谐波模态区分方法研究

摘要：在机械领域存在大量旋转机械,这使得输入激励并不满足运行模态分析（OMA）要求的均值白噪声激励条件。通过对随机信号和谐波信号统计特性的分析,提出一种简单有效的识别响应信号中周期强迫响应的方法,使OMA适用于含有谐波激励的情况,对一块由偏心电机激励的钢板进行了运行模态试验和锤击法传统模态试验,应用该方法成功识别出响应信号中的周期响应成份,通过两种试验结果验证了方法有效性,为OMA中虚假模态的辨别提供了一种新思路。     

基于模态综合和移频方法的中频段模态计算

采用基于特征约束模态降阶的模态综合方法计算结构中频段振动特性时,针对低阶特征约束模态不能截断的问题,引入了移频方法对子结构动力学方程进行变换,并推导了移频后低阶特征约束模态与系统中频段模态的关系,结果表明：采用移频方法后,低阶特征约束模态可以截断。采用该方法计算了某白车身有限元模型160~190Hz频段内的振动特性,结果表明：采用移频方法后,保留的特征约束模态阶数较少,系统振动特性的计算时间较短,说明该方法有助于提高复杂结构中频段振动特性的计算效率。     

基于有限元的能量流分析方法研究

区别于传统的统计能量分析,通过对有限元方法计算结果的后处理也可进行能量流分析。为提高计算效率,分析过程中对某些与频率相关的积分进行了推导简化。在此基础上,以Matlab为平台编写了相关计算程序。而后,对具体算例进行基于有限元的能量流分析并与统计能量分析的结果进行比较。最后,基于此算例进一步对基于有限元的能量流分析方法进行改进并对相应的计算程序进行优化提高计算效率。     

辛几何模态分解方法及其分解能力研究

针对经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)、集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)、局部特征尺度分解(Local Characteristic scale Decomposition,LCD)等方法的不足,提出了一种新的分析方法——辛几何模态分解(Symplectic Geometry Mode Decomposition,SGMD)方法,该方法采用辛矩阵相似变换求解Hamilton矩阵的特征值,并利用其对应的特征向量重构辛几何分量(Symplectic Geometry Component,SGC),从而对复杂信号去噪的同时进行自适应分解,得到若干个SGC。通过仿真信号模型,研究了SGMD方法的分解性能、噪声鲁棒性,分析了分量信号的频率比、幅值比和初相位差对SGMD方法分解能力的影响。将SGMD方法应用于齿轮故障实验数据分析,结果表明SGMD方法能够有效地对待分解信号完成分解并剔除噪声信号。     

基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法在桥梁状态评估中的应用

以张家港河大桥为对象,在不中断交通条件下对该桥实施模态试验,建立和修正其有限元模型,由此对试验模态振型质量归一化。利用振型已质量归一化的试验模态参数,计算该桥已知静荷载作用下的试验模态挠度,通过模态挠度与静挠度实测值的比较、关键问题的仿真研究和模态振型对模态挠度影响的误差分析,探讨和说明了基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法在实际工程中应用于桥梁状态评估的可行性与有效性。     

基于试验模态分析的薄壳塑件刚度研究

以大型薄壳塑件显示器后壳为研究对象,在壳体刚度变形理论分析的基础上,结合试验模态所得到的显示器后壳前二十阶振型图,分析了显示器后壳的振动及翘曲变形并提出相应的结构修改方案.解决了以往由于有限元模拟时存在的很多理论假设和边界条件而难以对壳体塑件的刚度及强度进行准确分析的问题.为对其结构设计作正确修改,减少结构的不合理性,提高塑件刚度等作重要指导.     

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。     

基于假设模态法的风力机动力学分析

采用Kane方法建立风力机系统动力学模型,并使用假设模态离散化方法对其进行柔性化。结合修正的BEM理论计算得到的风轮气动载荷,并在Fortran环境下编程建立风力机整机的系统动力学数学模型,完成对风力机的随机响应分析。以某型2.5MW风力发电机组为研究对象进行分析计算,将分析数据同国际权威计算软件GH Bladed数据比较。比较表明,该分析模型可以较好的模拟风力机的动力学特性,同时兼顾了较少建模计算时间和较高分析精度两个优点,近而验证采用假设模态法进行风力机动力学分析是一种行之有效的方法。     

基于模态灵敏度分析的客车车身优化

针对提高国产某轻型客车的乘坐舒适性,解决车内振动和噪声剧烈问题,本文首先基于有限元仿真和道路试验的阶次跟踪方法进行振动和噪声原因分析,所确定的原因为轮胎激励引起的车身结构共振。为避免共振,以白车身钣金件和骨架的厚度为设计变量,以提高白车身前两阶固有频率为目的,用模态灵敏度理论对白车身进行优化设计和灵敏度分析。然后结合各钣金件和骨架的模态灵敏度和质量灵敏度,设计最优的改进方案并进行试验分析。对比优化前后的试验结果,验证了该优化方案的有效性与合理性。     

基于模态柔度的有限元模型修正方法

以各阶模态柔度矩阵中各元素相对变化作为指标,提出了基于模态柔度灵敏度解析表达式的有限元模型修正方法,推导了模态柔度灵敏度解析表达式,结构严谨,编程方便。以一平面简支梁为例,考虑运用不同的模态阶数、测点自由度及测试误差,利用Tikhonov正则化方法进行模型修正,通过多次模拟计算,分析了相关因素对模型修正结果的影响。实例计算表明,当噪声较小时,修正效果很好,但随着测试噪声水平的增加,修正结果稳定性变得相对较差;利用较高阶模态修正结果比利用较低阶模态修正后结果要好;同时测试自由度不完整性也是模型修正结果的不利因素。     

非规则梁桥的模态推倒分析

在模态推倒分析（MPA）基本概念的基础上,研究了MPA预计非规则梁桥的地震位移需求的具体细节。首先分析了桥梁位移参考点的选择位置、能力谱的形式、非弹性需求谱的构建以及位移组合方式等,然后分别采用MPA和非线性时程分析（ITHA）计算了4座非规则梁桥的横桥向地震位移需求,并比较了MPA与ITHA的计算结果。结果表明,桥墩屈服后,虽然非规则梁桥的各主要模态之间有不同程度的耦合,只要采用合理的MPA操作过程,仍能够得到合理的地震位移需求。     

修改的MPA法用于连续刚构桥的抗震性能分析

弹塑性时程分析方法是计算桥梁结构地震响应较为严格的分析方法,但该方法工作量大,计算复杂,不利于工程师进行结构设计。采用基于模态的Pushover分析方法(MPA法),对某高墩连续刚构桥梁进行抗震性能分析,根据建筑结构设计规范,要求振型参与质量之和需达到90%。通过理论分析,提出以振型贡献率提取振型参与计算的加载模式,剔除振型贡献参与质量比低于1%的振型,对高墩大跨连续刚构桥进行了推覆分析。这样既避免了全部模态参与计算的繁琐,又考虑了高阶振型的影响,并与弹塑性时程响应结果进行了对比。计算结果表明,修改的MPA法(MMPA法)应用于高墩连续刚构桥的抗震性能分析是可行的。     

A pushover seismic analysis method for asymmetric and tall buildings

A pushover seismic analysis method based on the extended N2 method is proposed. Compared to the extended N2 method, the proposed method has four modifications that account for nonlinear higher mode effects. In the first modification, a lateral load based on the equivalent static forces from the dominant dynamic modes of a building combined using the effective mass ratio is used in pushover analysis to consider the higher mode effect in elevation. In the second modification, the total torsional mode effective mass factor is used to modify target displacement in pushover analysis to consider inelastic higher mode effect in plan. In the third modification, the coefficient of torsion (CT) is determined by combining the CT from pushover analysis with that from response spectrum analysis using a contribution factor depending on the ductility level. In the fourth modification, the maximum inter-story drift is derived based on target displacement while considering the effects of story height, ductility, and building period. These modifications are verified using a 14-story building with 10% eccentricity and medium to high structural ductility. Analytical results show that the proposed method predicts better target displacement, CT, and maximum inter-story drift than the N2 and extended N2 method.     

航空发动机鼓筒连续扫描模态测试方法研究

针对航空发动机鼓筒等薄壁圆柱壳型结构,以薄壁圆柱壳为例,基于LabVIEW测试平台、利用非接触式电磁激振器搭建了模态参数测试实验台,并对实验台校准时的各个自由度偏差进行误差分析,给出灵敏度指数指导实验台校准。基于扫频信号包络线法辨识圆柱壳的固有频率,避免能量泄漏,提高辨识精度;基于共振响应辨识模态振型,利用激光旋转扫描测试,提高模态振型测试效率,并研究不同转速下的测试精度。将测试结果与LMS模态分析软件所测结果进行对比,结果表明,利用文中的测试方法得到的模态参数更为准确,具有一定的工程应用价值。     

哈尔滨四方台斜拉桥模态参数和索力识别

桥梁的模态参数是修正有限元模型、识别损伤及桥梁状态评估的重要参数。动力测试是获得模态参数的必要途径。建立了哈尔滨四方台大桥的有限元模型;利用8个力平衡加速度传感器采用分组测试的方式测试了桥面加速度,利用压电传感器测试了斜拉索的加速度;联合NExT法和ERA法进行了斜拉桥模态参数识别,并将识别结果与有限元模型的计算结果进行了对比分析;采用拉索基频的频差拟合识别法进行频率及索力识别,并进行了实测索力与设计索力的对比分析     

高阶振型对高墩桥梁抗震性能的影响及其识别

针对墩高60m、90m 的典型高墩桥梁,运用增量动力分析方法（IDA）和基于基阶振型的非线性静力推倒方法（MPA）     

土-结构非线性相互作用混合约束模态实施方法

分析、探讨线性-非线性混合约束模态综合法用于土-结构相互作用的动力分析实施方法。据结构存在局部非线性特性,提出对整体结构划分为若干个线性、非线性子结构,对线性子结构只需一步提取特性矩阵并进行方程降阶,而对非线性子结构则逐步提取降阶后的等效特性矩阵。通过组装各子结构达到对整体结构特性矩阵的降阶处理。对非线性子结构凭借在小段时间 内利用分段等效线性化手段,通过ANSYS二次开发工具UPFs编辑写成可执行程序文件,并与MATLAB联立计算,实现特性矩阵提取。结果表明,该方法求得结构的各阶频率和动态响应时程曲线与ANSYS直接计算吻合良好。可逐步提取等效弹塑性特性矩阵,为采用变化的特性矩阵对结构进入塑性阶段深层次分析研究提供有效方法。     

频响函数曲线拟合与模态分析精细化

由于Vector Fitting (VF)将有理分式函数直接分解为部分分式和的叠加,极点(模态频率)获取顺序依模态贡献量由大到小排列,可保证拟合误差随拟合阶次增大迅速收敛,故对VF方法用于模态参数辨识的可行性进行论证,优化拟合精度与计算规模,并对曲线拟合算法误差、参数稳定性、模型定阶详细讨论,实现频响函数曲线拟合的精细化。利用已有文献数据进行考核,并与商业算法比较。     

黏弹性Pasternak地基梁振动的复模态分析

运用复模态分析研究了有限长黏弹性Pasternak地基梁的振动特性,将梁的振动方程写成状态方程,利用复模态的正交性解耦为常微分方程组,得出复频率和复模态及任意初始条件下外激励的响应。通过两个具体算例对比,分析了简支边界条件下的Pasternak地基梁的固有频率和模态函数的特征,并通过文中给出的复模态函数,计算了两种典型外激励作用下的动力响应。