基于LebVIEW的模态参数识别方法研究

为了降低机构模态参数识别门槛,本文结合声辐射模态理论,提出了基于LabVIEW等工具进行非接触式模态参数识别新方法。该方法结合使用LabVIEW软件工具和高精度麦克风、工业声卡等硬件设备实现了声音信号采集、FFT变换、模态参数识别等功能。最后以某连杆大头为例,使用本方法进行模态参数识别试验,并通过ANSYS软件对连头大头进行仿真,结果表明：基于LabVIEW等工具的模态参数识别结果与仿真结果相比误差不超过3%,验证了该模态参数识别新方法的可行性。     

基于LabVIEW的模态参数识别方法

为了降低机构模态参数识别门槛,结合声辐射模态理论,提出了基于LabVIEW等工具进行非接触式模态参数识别新方法。该方法结合使用LabVIEW软件工具和高精度麦克风、工业声卡等硬件设备实现了声音信号采集、快速傅里叶变换(FFT)、模态参数识别等功能。以某连杆大头为例,使用本方法进行模态参数识别试验,并通过ANSYS软件对连杆大头进行仿真,结果表明:基于LabVIEW等工具的模态参数识别结果与仿真结果相比误差不超过3%,验证了该模态参数识别新方法的可行性。     

基于影像及小波变换的桥梁损伤识别

桥梁损伤定位和定量分析是桥梁健康监测的难点,为提高桥梁结构损伤位置识别的精度及准确性,利用位移模态对结构局部损伤的敏感特性,提出基于影像和小波变换的桥梁损伤识别新方法,通过工业相机获取悬臂梁振动形态,利用模版匹配方法提取结构动态位移响应及模态参数,对位移模态进行小波变换,建立小波系数平方差的损伤指标识别结构损伤位置。通过室内悬臂竖梁振动实验,对全域测点的振动衰减信号快速傅里叶变换成功获取了结构的模态振型,与数值模拟结果比较表明试验获得一阶固有频率最大误差为2.202%,二阶固有频率最大误差为3.182%,表明所提方法用于结构位移测量的可行性以及测量精度的可靠性;在此基础上利用小波系数平方差的明显突峰特性可准确识别结构单损伤、多损伤的存在,并能准确定位损伤位置。研究表明,所提方法可以准确识别不同位置、不同程度的单损伤和多损伤,具有远距离、非接触、高精度、高效快捷、可多点监测提升振型空间分辨率等优点,为桥梁结构全域损伤识别提供了一种新方法。     

桥梁结构全息模态参数识别方法试验研究

针对传统桥梁结构健康监测中使用的接触式传感器存在数据离散性大、安装程序繁琐、难以反应桥梁结构整体状况等局限性,本文基于全息视觉传感器智能监测系统,识别结构全息几何形态在相应时空域上的振动信号,较为准确的获取结构全息图像数字化位移坐标信息,同时针对提取的振动位移进行频谱分析,获取桥梁结构的模态参数,实现对桥梁状况的基本识别。本文对一座缩尺模型桥进行试验验证,研究结果表明：全息视觉传感器智能监测系统测试结果与位移传感器测试结果吻合度较高,针对竖向荷载响应的功率谱,两种方法实测结果在低频范围内都能够较好地吻合,振型变化趋势基本一致。基于全息视觉传感器智能监测系统的桥梁形态监测真实、连续、敏感,较为准确地反映了结构在各工况下的位移变化和模态响应,后期将会进一步优化全息视觉传感器监测系统识别灵敏度,实现在各种工况激励下的高阶模态参数和结构损伤识别。     

基于精细积分的桥梁移动荷载识别精度分析

为了识别作用于桥梁结构的移动荷载并对识别的敏感性进行分析,比较各参数对识别结果的影响,首先有效地将桥梁结构振动微分方程转化为精细积分方法的一般形式,进而得出荷载识别精细积分方法的HPD-S格式;基于Matlab仿真技术,重点讨论测量噪声、模态数、车速及采样频率等几个主要参数对识别结果的影响。仿真算例表明,该识别方法对模态数不敏感,但对采样频率敏感性较高,车速与测量噪声是影响荷载识别精度的主要因素。通过选择适当的参数,该方法可以有效地识别桥梁结构的移动荷载,从而为工程应用提供技术指导。     

有源声学结构中的次级作动和误差传感

以近场声功率计算方法为基础，引入速度辐射模态和近场声压辐射模态概念，建立有源声学结构次级作动和误差传感的统一的数学模型．首先从理论上研究了次级声源布放准则，然后推导了基于PVDF分布式速度传感和离散点近场声压误差传感条件下的有源控制性能计算公式，并通过计算机仿真验证了相关结论，最后讨论了系统实现时需要解决的关键问题．     

基于HVD和RDT的工作模态识别

应用希尔伯特振动分解(HVD)和随机减量技术(RDT)建立了环境激励下结构工作模态参数的识别方法。基于环境激励下结构的单点振动响应信号作为分析信号,应用希尔伯特振动分解将分析信号分解为若干个包含结构模态信息的信号,再利用随机减量技术提取自由衰减信号,应用最小二乘复指数法获得各阶模态频率和阻尼比。应用该方法对5自由度剪切模型以及12层混凝土框架地震台模型的顶点地震响应作为分析信号进行了结构工作模态参数的识别,并将识别结果与其他方法识别结果进行对比。结果表明该方法识别模态频率是可靠的;对平稳结构响应信号模态阻尼比的识别有好的精度,而对非平稳响应信号有较满意的精度。     

基于响应信号的结构模态参数提取方法

基于现有实验模态分析技术,提出了以一个响应信号作为参考信号,并且只利用响应信号提取结构模态参数的方法.以一个自由的钢梁为实验对象,通过与传统的用传递函数矩阵进行模态参数识别的实验模态分析法的识别结果比较,验证了所提出方法的有效性:固有频率识别精度和模态阻尼比的识别精度较高,误差分别不超过0.5%和18%;振型有一定的误差,但是总体趋势是一致的.能够反映结构的振动形态.该方法特别适合于用力锤或激振器无法激振的大型重型结构.如大型机床等设备,也适合于那些不宜用外力激振的设备,如高精密机床等.     

大跨桥梁结构健康监测系统振动传感器配置仿真

为了提高大跨桥梁结构健康监测系统在线模态参数识别中的模态分辨率,研究了振动传感器配置的非均匀布设方法.以润扬长江大桥悬索桥为例,以结构前16阶竖向振型为基础,运用基于主列筛选的传感器配置算法对该桥主梁竖向振动传感器配置进行了仿真研究.采用模态置信度矩阵非对角元素构造评估指标对4种传感器布设方案进行比较,包括七截面均匀布设方案、基于主列筛选算法获得的七截面非均匀布设方案、基于七截面均匀布设方案改进得到的九截面方案和基于主列筛选算法获得的九截面非均匀布设方案.由仿真结果可知,采用主列筛选获取的传感器非均匀布设方案获得的模态置信度矩阵非对角元较小,模态振型具有更好的模态分辨率.这一结果表明,非均匀布设方法更有利于大跨桥梁监测系统实现在线识别模态参数.     

一种获取船舶主要噪声源参数的方法

为了确定船舶主要辐射噪声源的声源参数,在分析辐射噪声特性及其传播规律的基础上,建立一个浅海波导条件下船舶主要辐射噪声源的数学模型.在不同信噪比条件下,利用快速场积分的方法计算船舶宽带辐射噪声的近场声压,并以全局概率优化搜索方法遗传算法作为反演工具,求解由近场声压数据构成的非线性方程组,从而得到辐射噪声源的参数.仿真结果表明,在浅海波导条件下,在信噪比高于15 dB时,该数学模型可有效反演出船舶主要辐射噪声源的声源参数.     

基于结构水下冲击响应识别结构模态参数

在冲击载荷作用下,基于水下结构的动力学方程,结合Hilbert-Huang变换(HHT)推导出冲击作用下结构响应与模态参数的关系,并识别了水下结构的频率和模态阻尼比.HHT方法适合处理冲击等非平稳响应,设计的带通滤波器能自动选取截止频率,可以准确地得到各阶模态响应.且只需要结构适当一点的冲击响应,就可得到结构的固有频率和模态阻尼比.最后,以一水下矩形钢板为例,经数值计算在典型的爆炸冲击载荷作用下结构的振动响应,通过本方法得到了结构的固有频率和模态阻尼比,再以水下圆柱壳结构为例,同样得到了结构的固有频率和模态阻尼比,验证了本方法在冲击作用下识别水下结构模态参数的可行性.     

基于模态柔度理论的结构损伤诊断试验研究

利用多参考点脉冲锤击法的输入输出动力信号获取结构的模态柔度,可以对结构进行损伤识别,设计了一根钢筋混凝土简支梁和一块钢-混凝土组合板的静动力试验.对不同损伤状态下的简支梁和组合板进行了动力测试,得到其模态柔度矩阵,并用来预测结构在荷载作用下的位移.简支梁试验结果表明,随着损伤程度的加深,结构自振频率降低,阻尼比增大,柔度增大,但自振频率只能判断结构损伤的出现,模态柔度则能够综合全面地反映钢筋混凝土简支梁结构的损伤位置和损伤程度.组合板试验表明,在线弹性状态下,动力测试与静力测试获得的模态柔度矩阵相差很小.设计了支座刚度变化、连接件损伤和横向支撑破坏这3种损伤工况,并用这3种工况来模拟实际桥梁结构可能出现的损伤状况.通过对比结构损伤前后的模态柔度位移信息,成功实现了组合板的损伤识别.     

预应力对预应力梁振动的影响

研究了预应力梁的自由振动和受迫振动响应。将预应力桥梁简化为简支的欧拉梁模型,并利用有限元法加以离散。讨论了预应力对梁固有频率和受迫振动响应的影响。研究表明预应力对梁的低阶频率和位移响应的影响较大。     

基于复小波变换的拉索结构阻尼比识别

采用复小波变换对结构自由响应信号进行分析,推导出信号小波变换的脊线包含结构频率与阻尼比信息;采用动态规划的方法提取小波脊线,用最小二乘拟合方法识别结构固有频率和阻尼比.并对一数值算例信号添加不同噪音进行分析,与对数衰减率法识别结果进行对比,验证了方法的有效性和抗噪性.数值算例结果表明：提出的方法能有效识别结构频率与阻尼比;与对数衰减率法相比,小波方法具有更高的稳定性和抗噪性.将提出的方法用于安装减震器拉索的试验研究,较好地识别出了结构模态频率和阻尼比.     

Data based model free hysteresis identification for a nonlinear structure

In the last two decades, the damage detection for civil engineering structures has been widely treated as a modal analysis problem and most of the currently available vibration-based system identification approaches are based on modal parameters, namely the natural frequencies, mode shapes and damping ratios, and/or their derivations, which are suitable for linear systems. Nonlinearity is generic in engineering structures. For example, the initiation and development of cracks in civil engineering structures as typical structural damages are nonlinear process. One of the major challenges in damage detection, early warning and damage prognosis is to obtain reasonably accurate identification of nonlinear performance such as hysteresis which is the direct indicator of damage initiation and development under dynamic excitations. In this study, a general data-based identification approach for hysteretic performance in form of nonlinear restoring force using structural dynamic responses and complete and incomplete excitation measurement time series was proposed and validated with a 4-story frame structure equipped with smart devices of magneto-rheological (MR) damper to simulate nonlinear performance. Firstly, as an optimization method, the least-squares technique was employed to identify the system matrices of an equivalent linear system of the nonlinear structure model basing on the excitation force and the corresponding vibration measurements with impact test when complete and incomplete excitations; and secondly, the nonlinear restoring force of the structure was identified and compared with the test measurements finally. Results show that the proposed data-based approach is capable of identifying the nonlinear behavior of engineering structures and can be employed to evaluate the damage initiation and development of different structure under dynamic loads.     

基于欧拉微动放大的桥梁全息变形形态获取方法

与桥梁变形测量方式中测点分散布置不同,获取桥梁的全息变形行为可以有效地分析其结构变化。采用了基于相位的欧拉影像放大算法,结合视频影像非接触测量的方式,获取桥梁整体的变形形态参数,实现了桥梁全息变形的采集及放大。该方法与数字图像相关方法不同,欧拉放大算法是基于带通滤波并提取相应带通范围内的周期振动信号进行放大。该处理方式适用于桥梁结构这种具有周期性振动的变形特性。采用高速民用摄影机对实验室大跨径自锚式悬索桥缩尺模型进行定点拍摄获取数字影像信息,然后通过基于相位的欧拉影像放大算法将微小的振动形态进行可视化处理,最后利用精简边缘算子实现了桥梁结构边缘的提取。同时结合传统动态位移测量方法获取同期形态变形数据,通过对比分析结果证实了该方法的可行性,为未来利用影像手段进行全息形态获取提供了一种新方法。     

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.     

Finite element model updating of bridge structures based on sensitivity analysis and optimization algorithm

The dynamic characteristics of bridge structures, such as the natural frequencies, mode shapes and model damping ratio, are the basis of structural dynamic computation, seismic analysis, vibration control and structural health condition monitoring. In this paper, a three-dimensional finite-element model is established for a highway bridge over a railway on No.312 National Highway and the ambient test is carried out in site, the dynamic characteristics of the bridge are studied using the finite-element analysis and ambient vibration measurements. Comparison between the theoretical and experimental results shows that the frequency differences of the modes range between 0.44% and 8.77%. If the measurement is more reliable, the finite element model updating is necessary. Thus, a set of design variables is selected based on sensitivity analysis, then the finite element model of the bridge is updated based on optimization algorithm. The results of model updating show that the proposed updating method in this paper is more simple and effective, the updated finite element model can reflect the dynamic characteristics of the bridge better, the analytical results can provide the theoretical basis for damage identification and health condition monitoring of the bridge.     

润扬大桥斜拉桥模态频率识别的环境变异性

为了研究大跨斜拉桥振动特性的环境时变特征,对润扬大桥斜拉桥的实测加速度响应进行了模态参数识别.采用峰值法识别了润扬大桥斜拉桥的主要模态频率,并详细地考察了日常运营条件下实测模态频率的环境变异性.分析结果表明,实际环境条件(交通荷载、环境温度和台风荷载)与斜拉桥实测模态频率存在较为明显的相关关系,主要表现为环境温度的变化对模态频率的影响是长期性的趋势,而交通荷载和风荷载对模态频率的影响则由于荷载的非平稳性呈现瞬时的颤动变化.环境激励下润扬大桥斜拉桥整体振动的模态频率在1天内可以发生约1%～4%的变化,其日平均值在1年中可以发生约1%～2.5%的变化.