运营桥梁结构间接系统辨识的模式搜索方法

通过引入模式搜索的下降准则及其算法,部分解决了环境激励下运营桥梁结构间接辨识中可能存在的局部极值与算法收敛的问题,以及工程数据中可能存在的不可导、不连续的问题。引入了带收敛证明的广义模式搜索方法,介绍了模式移动、网格尺寸、表决等概念,通过构造算例来阐述了其搜索机理。对于运营结构的间接辨识,提出了其响应数据可能不可导、甚至不连续,或在一般算法中可能存在局部极值、算法不收敛的问题;基于无导数下降准则的模式搜索,能准确地通过车辆响应来对结构参数、车辆参数进行辨识;通过比较不同噪声水平下算法的迭代过程中的目标函数值、搜索次数、网格尺寸与表决结果,说明了其具备抗强噪声水平干扰的能力;并指出了通过加入罚函数即可向含约束的类似问题推广。     

基于车辆响应的桥梁结构参数的统计区间估计

提出了基于加入白噪声的车辆响应,对运营桥梁结构参数具备通用性的统计区间估计的方法。将运营结构的参数辨识问题先转化为了非线性优化问题,并采用Guass-Newton、Levenberg-Marquardt方法求解,再由计算所得的参数、Jacobi矩阵、残差向量进行了统计区间估计。结果表明:该方法可以基于车辆响应对运营结构的桥梁参数(如频频、刚度)进行辨识和区间估计,并具备一定的抗白噪声类干扰的能力;同时,重构的输入数据具备一定的滤噪效果。此外,通过对基于桥梁位移响应的车辆参数(如质量)的辨识,进一步验证了该方法的通用性。     

未知激励下框架结构系统辨识的特征系统实现算法

在激励未知的情况下,基于试验加速度数据,对某三层框架进行了结构系统参数的辨识。引入了特征系统实现算法,在实验室条件下,基于模拟环境激励的框架结构的自由振动加速度响应,生成了Hankel矩阵,计算了相应的互相关函数;运用奇异值分解求得了系统的特征值,通过计算指标MAC、EMAC、MPC、CMI,剔除了系统的虚假模态,得到了结构的相应频率与阻尼,与实测数据以及有限元计算结果的比较分析表明,未知激励下,特征实现算法能较准确地对结构的动力参数进行辨识。     

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。     

结构在水平与竖向随机地震同时作用下的相关函数和谱密度

对单自由度结构在水平与竖向地震同时作用下的随机稳定性、响应及其相关函数和谱密度函数进行系统研究。首先利用Stratonovich和It随机微分方程与响应矩微分方程的互相关转化关系,建立了结构响应矩方程;然后根据Hurwitz随机稳定准则,获得了结构一阶和二阶响应矩渐近稳定的解析判别式;继而,利用复模态法获得了结构响应二阶矩的解析瞬态解和平稳解;最后利用It随机微分方程解具有的非可料函数性质,获得了结构位移、速度响应的自相关函数、互相关函数以及谱密度函数、互谱密度函数的解析解,给出了算例,并综合分析了各种参数对结构响应、稳定性以及相关函数和谱密度函数的影响。     

基于斜拉桥索力监测的在线车速车重识别

为充分发挥监测系统的应有作用,实现大型桥梁车辆荷载识别,将桥梁动态称重(B-WIM)技术与健康监测系统(HMS)相结合,研究基于HMS的B-WIM的相关理论与方法。依托斜拉桥及其HMS实际工程,选取被监测的运营索力为观测参数,通过索力时程特征分析和神经网络方法识别车速和车重;首先采用小波和EMD分解方法对运营索力进行处理和解析,将索力的车辆响应分量与恒载、温度响应以及随机干扰部分分离,进而通过单索力车辆响应峰值锐度对车速预估,再通过多索力车辆响应峰值的匹配解算车速;然后,面向多索力响应构建车重识别的BP网络模型,基于相似公路车速车重联合分布模型构建车队样本进行车桥耦合分析,提取索力响应建立了2 916组数据样本用于网络的训练和检验,实现了较高精度的车重识别网络训练;最后,采用实际斜拉桥连续24 h索力监测数据,将上述车速车重识别方法在实际工程进行了应用和检验,共识别出车重50 kN以上的车辆463辆。通过对识别结果的统计分析表明,识别的车速、车重分布以及二者的联合分布较好的符合实际。斜拉索具有全桥空间广泛分布的特点,索力也是监测系统的必测响应并对车辆具有良好的敏感性,以索力为观测参数实现车重车速的识别是可行的,并该方法的数据处理与车辆识别过程易于实现在线和自动化。     

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。     

基于加速度响应监测的桥址地震动辨识研究

在桥梁结构的健康监测实践中,利用结构动态响应进行桥址地震动辨识,对于结构安全评估具有重要意义。根据桥址场地特征,确定非平稳地震动模型和相关方差函数。建立地震动辨识问题的数学模型,基于极大似然估计原理推导得到实际地震动时程的递进识别算法,其中加速度响应的灵敏度对应离散化的脉冲响应函数。以某三跨刚构桥受横向地震为数值算例,从传感器数量与观测噪声影响两方面,考察方法辨识效果。结果表明,辨识方法对传感器数量要求不高,抗噪性能好。开展结构模型振动台试验,进一步检验了方法效果。     

基于实测扫频响应反推管路卡箍支承刚度及阻尼

为了建立管路系统动力学模型并分析其振动特性,需获取动载荷下卡箍支承刚度及阻尼等力学特性参数。该研究提出一种基于实测扫频响应的响应面法来反推上述参数的方法;提出了基于响应面反推管路卡箍支承刚度和阻尼的辨识算法;利用自编有限元创建了管体-卡箍系统的动力学模型,推导了管路系统振动响应;在利用响应面法的匹配计算中,进行了卡箍刚度及阻尼关于频率和对应响应的多项式拟合,并采用基本遗传算法进行了优化。在实例研究中,用提出的方法辨识出了所研究管路卡箍的具有频率依赖性的支承刚度和阻尼;将辨识值回代到分析模型中,通过比较预测的与实测的频域响应,共振频率及响应偏差均小于3%,证明了辨识结果的合理性。     

基于整体式初始位移的柔性结构低频模态试验方法

大型柔性结构由于刚度较低、结构庞大，采用传统测试方法难以获取结构的整体模态。提出了一种基于整体式初始位移的大型柔性结构低频模态试验方法。推导了任意初始位移条件下结构响应，以及初始位移条件下特征系统实现算法；在柔性结构上施加整体式初始位移来获取结构的整体振动响应，基于特征系统实现算法识别了大型柔性结构的低频整体模态。以长度为30 m的三棱柱型桁架为研究对象，验证整体式初始位移激励下结构模态参数辨识的可行性，并讨论结构在白噪声工况下的辨识精度。采用具有理论解的集中质量柔性梁模态试验进一步验证所提方法，锤击法难以激发该柔性梁的基频模态，而该方法能够准确识别柔性梁的模态。结果表明，通过在柔性结构施加整体式激励可以有效辨识出结构的低频模态参数。     

由车激响应识别桥梁损伤的灵敏度方法

提出了由过桥汽车激励所产生的动力响应识别桥梁损伤的灵敏度方法。将桥梁等效为等长的欧拉梁单元,汽车等效为两自由度五参数模型,用桥梁损伤因子定义单元抗弯刚度的减小(即损伤的程度)。由损伤因子零向量的假设开始,桥梁损伤可以根据最小二乘法和正则化方法用测试得到的桥梁动力响应识别得到,在数值模拟中考虑了测试误差和路面不平顺的影响。算例表明,提出的识别方法理论正确,识别得到的结果可信,可以有效地、方便地识别桥梁的损伤。     

Precise identification of moving vehicular parameters based on improved glowworm swarm optimization algorithm

This paper proposes an indirect method for the identification of moving vehicular parameters using the dynamic responses of the vehicle. The moving vehicle is modelled as 2-DOF system with 5 parameters and 4-DOF system with 12 parameters, respectively. Finite element method is used to establish the equation of the coupled bridge–vehicle system. The dynamic responses of the system are calculated by Newmark direct integration method. The parameter identification problem is transformed into an optimization problem by minimizing errors between the calculated dynamic responses of the moving vehicle and those of the simulated measured responses. Glowworm swarm optimization algorithm (GSO) is used to solve the objective function of the optimization problem. A local search method is introduced into the movement phase of GSO to enhance the accuracy and convergence rate of the algorithm. Several test cases are carried out to verify the efficiency of the proposed method and the results show that the vehicular parameters can be identified precisely with the present method and it is not sensitive to artificial measurement noise.     

Aircraft parameter estimation — A tool for development of aerodynamic databases

With the evolution of high performance modern aircraft and spiraling developmental and experimental costs, the importance of flight validated databases for flight control design applications and for flight simulators has increased significantly in the recent past. Ground-based and in-flight simulators are increasingly used not only for pilot training but also for other applications such as flight planning, envelope expansion, design and analysis of control laws, and handling qualities investigations. Most of these demand a high-fidelity aerodynamic database representing the flight vehicle. System identification methodology, evolved over the past three decades, provides a powerful and sophisticated tool to identify from flight data aerodynamic characteristics valid over the entire operational flight envelope. This paper briefly presents aircraft parameter estimation methods for both stable and unstable aircraft, highlighting the developmental work at the DLR Institute of Flight Mechanics. Various aspects of database identification and its validation are presented. Practical aspects like the proper choice of integration and optimization methods as well as limitations of gradient approximation through finite-differences are brought out. Though the paper focuses on application of system identification methods to flight vehicles, its use in other applications, like the modelling of inelastic deformations of metallic materials, is also presented. It is shown that there are many similar problems and several challenges requiring additional concepts and algorithms.     

桥梁移动荷载识别的不适定性及其试验研究

对桥梁移动荷载识别方程不适定问题进行研究，提出采用预处理共轭梯度法（PCGM）求解超定方程组，通过选择不同的预优矩阵，改善和解决超定方程组的欠秩和病态问题。为验证基于PCGM方法的现场实用性，设计制作了车桥试验模型，通过试验采集到的桥梁弯矩响应数据识别桥面移动荷载。比较桥梁模态数、预处理共轭梯度法迭代次数、桥面粗糙度、车辆重量以及测点选择对识别结果精度的影响后，研究结果表明：基于PCGM方法能够很好地识别车辆荷载，收敛较快且能较好改善荷载识别方程的不适定性。     

Reliability estimation based on operational data of manufacturing systems

Maintenance management has a direct influence on equipment reliability and safety. However, a large portion of traditional maintenance models and reliability analysis methods usually assumes that only perfect maintenance is performed on the system and the system will restore to as good as new regardless of the kind of preventive maintenance work‐order that is performed. This is not practical in reality and may result in an inaccurate parametric estimation. The research objective of this paper is to develop a maximum likelihood estimation method to obtain more accurately estimated parameters based on the operational data of manufacturing systems, taking into consideration the difference between perfect and imperfect maintenance work‐orders. Weibull distribution is specifically studied for this purpose. A practical case study based on industrial operational data from an automotive assembly line is performed to illustrate the implementation and efficiency of the proposed reliability estimation method. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

变速移动荷载作用下简支梁桥的动力响应及共振分析

基于振型叠加原理,采用广义坐标变换的方式建立了移动荷载匀变速通过简支梁桥时系统的动力平衡微分方程并编写了分析程序。以某3×32 m铁路多跨简支箱梁桥为例,计算得到车辆匀速运行时桥梁最大挠度随车速的变化曲线,选取曲线上的代表值点进一步计算,并从车桥共振的角度详细分析了桥梁最大挠度的变化趋势以及车辆变速运行对桥梁最大挠度的影响。     

环境激励下移动车辆对桥梁模态参数识别的影响研究

基于环境激励的模态参数识别方法在桥梁健康监测领域应用广泛,所识别桥梁的模态参数的变化常用来进行损伤识别.然而在模态参数识别过程中,移动车辆本身具有的质量属性被忽视,仅被当作为环境激励的一部分.桥梁损伤导致的模态参数变化将被移动车辆所引起的变化掩盖,影响后续损伤识别的效果.以随机子空间法为例,研究环境激励下的模态参数识别...