基于应变分布响应模态分析理论与应用

模态分析技术经过近70年的发展已形成较为完整的独特理论和方法,这与模态测试手段的进步息息相关.由于传感技术的限制,既有的模态分析方法主要是基于加速度或速度测量开展的,重点关注位移、速度及加速度频响函数.过去5年间,本课题组研究和开发了用于重大工程结构的分布式应变传感技术,并以分布式动态应变测量为核心开展了包括模态分析理论、模态测试及工程应用在内的研究工作.本文简要介绍分布式动态应变传感技术的基本特点和系统构成,重点阐述基于应变分布响应的模态分析理论、应变频响函数的测试技术及相应的模态参数识别方法.应变模态分析表明,从时频域上看,应变频响是更类似于位移频响而不同于速度或加速度频响的物理量,因此对低频响应更为敏感;基于位移频响函数和基于应变频响函数提取结构固有频率和阻尼比等价有效:基于位移频响函数和基于应变频响函数提取的特征向量之间的相互关系与位移和应变测量之间的映射关系完全相同,即基于应变频响获得的特征向量是直接的应变模态测量.探讨了应变模态在大柔度结构低频测试、动力模型重构、结构损伤识别3方面工程应用中的优势.     

基于多响应频响函数的加筋壁板结构模型修正

针对有限元模型中结构特征的简化以及连接界面的处理给分析结果引入的误差,提出一种基于多响应频响函数的模型修正方法。简要介绍基于频响函数模型修正的基本原理,并以复杂加筋壁板结构为对象进行实例研究。首先,建立加筋壁板的各子结构模型,并采用连接单元将子结构模型组装成整体结构模型。其次,对加筋壁板结构进行动态测试与分析,根据对应的试验结果对模型中的材料参数、连接参数以及模态阻尼比进行修正。最后,分别对比修正前后结构的模态频率、频响函数,检验修正后模型的精度。研究结果表明:经过修正后的加筋壁板结构能复现用于修正的多响应频响函数,得到1个能同时反映结构加速度和应变特性的模型,从而验证了所提方法的有效性。     

基于多模态传递比的旋转叶片动应变场重构方法

针对旋转叶片非接触式应力/应变测试的需求,本文提出一种基于多模态传递比的叶片动应变场重构方法。首先,基于多自由度(MDOF)系统的振动微分方程,在模态坐标系下建立位移频响函数(FRF)和应变频响函数,进而得到位移-应变响应传递比表达式;以某12扇区的叶盘为分析对象,建立叶片有限元模型并进行模态分析,通过提取多模态叶尖位移和叶身应变,得到总位移-应变传递比矩阵和定向位移-应变传递比矩阵;最后,基于Simulink平台进行旋转叶片叶尖定时采样(BTT)仿真模拟,通过周向傅里叶拟合算法(CFF)对欠采样信号进行振动位移重构,将得到的叶尖位移代入传递比表达式,得到叶身应变。研究结果表明：在非共振态下,由叶尖位移重构得到的叶身总应变与有限元分析得到的总应变相对误差为0.12%～14.56%,定向应变相对误差为1.92%～14.70%,验证了本文提出的基于多模态传递比的叶片动应变场重构方法的有效性。     

神经网络法在定量损伤识别研究中的应用

为了探索一种可能的结构损伤在线监测方法,使结构损伤动力识别的研究更具工程实际意义,以工程上常用的截面开口槽形梁为试件,用试验模态分析与神经网络法相结合的方法,研究了位移频响函数指标、应变频响函数指标和模态频率指标在结构损伤定量辨识中的灵敏性。结果证明了神经网络法与试验模态分析技术相结合检测结构损伤的可行性,并指出应变指标对损伤更敏感。此外,指出了对于具有复杂模态的结构无法获取模态的完善信息时,用有限个点、有限个方向的测量数据进行损伤识别是可行的。     

一种光纤光栅加速度传感系统

研制了一种高精度、低成本适合于地震勘探和矿山安全等工程领域的光纤光栅加速度传感系统。该系统利用加速度改变光纤光栅中心波长的原理工作,可以有效消除温度漂移对动态应变测量的影响。实验结果表明,传感器频响在2-100Hz,灵敏度1．2pm／με,动态范围达80dB,是一种较为理想的光纤加速度传感系统。     

光纤光栅传感技术在重大工程结构诊断与监测中的应用

光纤光栅传感技术具有传统传感器无可比拟的优势,重大工程结构的健康诊断与监测是跨学科的前沿研究领域。介绍了光纤光栅传感技术用于重大工程结构的原理、国内外研究以及在重大工程中应用的概况,阐述了基于光纤光栅传感技术和应变模态理论的损伤自诊断智能结构系统的基本构成、原理,并指出近期应当加强光纤光栅传感技术的结构诊断、动态解调、工业化批量生产及其埋设等方面研究工作。     

环境激励下鹤洞大桥模态参数识别分析与比较

在已建立的鹤洞大桥结构健康监测系统的基础上,同时采用GPS变形监测和加速度振动测试系统,在环境激励下对桥塔和桥主跨段进行位移和加速度响应的同步测试.采用基于总体平均经验模态分解法(EEMD)的改进HHT方法,对GPS系统监测位移进行时频域联合分析,同时对于桥面加速度振动测试数据则采用常规的功率谱峰值法进行频域模态识别.通过2种不同信号采取2种不同模态参数识别方法,进行系统辨识结果对比分析,发现GPS监测位移可以较好地反映主整体结构的低阶振型响应,基于EEMD的改进HHT方法能较好地处理低频非平稳随机信号的干扰及模态混叠现象的发生;相对于常规的功率谱峰值法,本文所采用的改进HHT方法对模态参数辨识结果具有更强的优越性.同时通过2种不同测试信号对于部分阶次模态的系统参数识别结果,与有限元数值分析结果较为相近,验证了上述2种测试结果的正确和可靠性.GPS变形监测系统与加速度动力测试子系统相结合,能较好地识别鹤洞大桥主要模态参数,为大桥的安全有效运作提供坚实依据.     

基于应变响应功率谱传递比的海上风机工作模态识别

利用传递比函数与应变响应的优势,提出了基于应变响应功率谱传递比(SPSDT)的海上风机工作模态识别方法.该方法无需通过复杂的信号预处理,仅基于传递比函数识别响应信号的统计特性差异,便可有效区分结构工作模态与谐波干扰.选择某海上风机结构为应用及验证对象,首先利用风机停机状态下的加速度和应变响应识别结构模态参数,验证了应变模态分析方法的可行性.随后利用风机在工作状态下多个工况的应变数据,进一步验证了通过结合SPSDT函数可使新方法有效克服转频谐波干扰,准确稳定地识别不同工况下风机工作模态.将该方法应用于风机结构的模态识别,具有良好的发展潜力和应用前景.     

光纤Bragg光栅传感技术用于应变模态检测

介绍了光纤Bragg光栅传感技术原理，阐述了基于光纤Bragg光栅传感技术和应变模态理论的损伤自诊断智能结构系统的原理，并进行了相关的实验研究。实验表明光纤Bragg光栅传感器抗干扰能力强，具有高灵敏度和长期稳定性，其作为应变测量的工具用于应变模态，进行结构损伤识别是可行的。     

工程振动信号微积分敏感性及其应用研究

工程施工监测中常常需要监测振动速度信号或振动加速度信号,振动速度信号和振动加速度信号的频谱特性差别很大,进而影响后续分析.本文采用傅立叶变换的时域微积分性来分析工程振动信号频谱的微积分敏感性,并通过拉普拉斯变换求取结构振动傅立叶谱,自功率谱,频响函数,并分析它们微积分敏感性.通过频响函数分析了其微分敏感性的物理意义.通过对背景工程中高层建筑实测自然激励的振动信号,验证了频谱微积分敏感性,并分析了频谱微积分敏感性对于振动信号分析的影响.研究结果表明：工程振动信号在数学上由于傅立叶变换的时域微积分性质,使得傅立叶谱峰值的频率分布具有微积分敏感性,随着振动信号微分阶次的升高,高频成分逐渐升高,低频成分逐渐降低;由不同信号的频响函数表达式,对结构动刚度、阻抗、动质量的频率分布规律进行了阐述;不同监测信号对于高、低频成分的识别精度不同,对于结构物高、阶模态的识别精度亦不同,对于高阶的频率成分的识别建议进行振动加速度信号监测,对于低阶频率的识别建议采用振动速度信号监测.     

自卸汽车车架模态试验与分析

针对某自卸汽车在使用过程中出现的横向抖动问题,采用试验模态分析技术对车架动态性能进行了分析,得到了该车架的各阶模态频率、模态阻尼以及模态振型等。分析结果表明,该自卸汽车车架前部刚度较弱,当激励频率接近或等于5.75Hz和10.36Hz时,可使车架共振产生横向抖动。从而为进一步研究整车振动、疲劳、噪声等问题奠定了基础,也为车架结构的优化设计提供了参考依据。     

基于试验模态分析的单损伤检测

以悬臂梁作为研究对象,对其正常状态以及不同损伤状态进行模态测试.采用了频响函数和固有频率作为结构损伤参数来判定损伤位置与损伤程度,并就这两种不同的损伤参数的敏感性进行了对比.结果表明,以频响函数的变化对结构损伤进行识别是新的有效可行的方法.     

一种三自由度并联机器人的动力学分析

介绍了一种三自由度并联机器人系统,建立了系统固定坐标系和运动坐标系.使用有限元法和弯曲振动法分析了机器人的动力学特性,建立了机器人的动力学方程,并对比了假设模态法的动力学特性.通过机器人的实验系统获得了机器人的共振频率和阻尼比,并分析了共振模态.将三种计算方法得到的固有频率与实验值作了比较,结果表明假设模态法获得的固有频率更接近于实验值.     

不对称模态密频结构的主动控制

分析了具有不对称模态的密频结构在脉冲荷载作用下,采用单主动质量阻尼器(AMD)和双AMD在速度和状态反馈下进行主动控制时,两个密集频率模态之间的模态阻尼比的分布规律;通过构建采用具有密集频率的斜拉桥模型并进行了主动控制试验,通过模态分析将试验结果和理论分析结果进行了对比验证,结果显示了较好的吻合程度.     

土—桩—结构相互作用体系的振动台模型试验

通过土－桩－结构体系的振动台模型试验,探讨了土－结构相互作用对结构动力特性和结构地震反应的影响,试验结果表明,土－结构相互作用使结构体系的自振频率降低,使体系的阻尼大大增加,土－结构相互作用还使结构顶部的加速度反应和结构底部的应变反应减小。     

电动车辆驾驶室隔振系统建模与振动特性分析

针对电动车辆驾驶室的低频振动问题,首先建立了底部装有4个隔振器的驾驶室有限元模型,提出采用三个方向的非线性弹簧阻尼单元的方法来等效替代隔振器,并进行约束模态分析.根据模态分析结果,讨论了驾驶室晃动产生的原因,并在此基础上,给出了两种减小驾驶室晃动的隔振器设计改进方法.根据实际使用情况,对液阻型橡胶隔振器进行了设计和静力分析,改善驾驶室的乘坐舒适性,此外通过调整隔振器的安装位置有效地减轻驾驶室的振动,模态分析结果显示振型频率均有所提高,同时第4阶振型变为驾驶室后壁局部振动.最后,利用有限元仿真,对驾驶室隔振系统进行振动分析,结果表明调整隔振器安装位置后的驾驶室减振系统在低频路面位移激励下垂向振幅明显减小.     

环境激励下湘潭莲城大桥模态参数识别研究

对环境激励下结构模态参数识别进行了理论分析和试验研究.基于随机振动理论阐述了峰值拾取法的基本原理和方法,并提出了虚拟响应的概念.从湘潭莲城大桥在环境激励下的加速度测试信号中提取高信噪比的虚拟响应信号,根据峰值拾取法对虚拟响应信号进行频域分析,识别了该桥主跨结构的固有频率、阻尼比和振型等模态参数.试验模态参数与理论模态参数基本吻合,验证了识别结果的可靠性.模态置信矩阵表明,结构的线性响应特性明显,竖向振动具有良好的正交特性.     

基于模型标定的重型卡车座椅动态舒适性仿真研究

为了减轻重型卡车驾驶员的疲劳,增加了减振机构来提高座椅的动态舒适性。提出一种基于模型标定的座椅动态舒适性研究方法。首先通过台架试验得到了空气弹簧的刚度和阻尼器的阻尼参数。然后对座椅进行模态试验和传递率特性试验,获得座椅模态频率与传递率信息,采用迭代寻参的方法确定连接部位的刚度和阻尼参数,从而建立准确的有限元模型。最后进行模态、传递率和随机振动仿真分析,通过仿真结果评估座椅动态舒适性。结果表明,仿真与试验的模态频率误差小于3%,传递率峰值误差小于10%,且该座椅固有频率与人体敏感频率不重合,座椅在非共振频率段的传递率较小。降低共振频率下传递率的波峰值与响应点的均方根加速度值可以提高座椅的动态舒适性。     

主动约束层阻尼结构的振动控制

基于弹性、粘弹性和压电材料的本构关系,利用Hamilton原理,推导了主动约束层阻尼板的有限元动力学模型。结合压电材料的机电耦合特性,采用自感电压的位移和速度反馈,对主动约束层阻尼板进行了闭环振动控制,研究了不同控制增益条件下,主动约束层阻尼板的动态特性。研究结果表明:采用自感电压的比例、微分反馈控制,能有效控制约束层阻尼板的振动,增大振动能量耗散,尤其对频率共振峰有明显抑制作用。由于该方法结构简单,容易实现,有很好的工程应用前景。     

柘林水电站消能掺气墩的原型振动试验与动力响应计算

消能掺气墩是新型消能结构,已成功地应用于江西柘林水电站泄洪建筑物之中。为了对消能掺气墩的动力特性作出评价,本文按三维有限元法,采用SAP-5动力分析程序,计算了该结构的前15阶固有频率与振型,并进行了原型振动试验,用共振峰值法测出了结构的八阶固有频率。测试了泄洪水流冲击作用下结构的动态位移、加速度响应,又根据水流脉动压力观测资料,加以分析整理,输入到SAP-5程序之中,按振型迭加法计算了结构的位移响应及动应力历程。校核了结构的疲劳强度。