基于模态柔度差曲率的梁结构损伤识别
第9卷第1期2010年2月 江南大学学报(自然科学版)Journa l of J i angnan Un iversity(Na tura l Sc ience Ed ition)
Vol .9 No .1
Feb . 2010 收稿日期:2009-09-21; 修订日期:2009-10-11。
基金项目:上海市科委重点科技攻关项目(072105115)。
作者简介:李胡生(1960—),男,湖北武汉人,教授,硕士生导师。主要从事桥梁安全与预警等研究。
Email:songzishou@yahoo https://www.360docs.net/doc/382580785.html,
基于模态柔度差曲率的梁结构损伤识别
李胡生1
, 宋子收2
, 周奎2
, 刘潇轶
1,2
(11上海应用技术学院土木建筑与安全工程学院,上海200235;21上海理工大学环境与建筑学
院,上海200093)
摘 要:对于梁式结构的损伤识别,模态柔度比结构的频率和位移模态更加灵敏,通过结构的前几阶模态就可以容易计算得到。文中提出了基于柔度差曲率的损伤识别方法,通过3种方式计算所提指标,将得到的指标进行损伤敏感性对比,在简支梁设置一处、多处和支座处的损伤工况,在两跨连续梁设置多个和支座处的损伤,仿真结果表明,通过模态柔度行均值计算的柔度差曲率最好,柔度列最大元素计算的指标次之,柔度对角元素计算的指标可以进行简支梁1处损伤,但对多处损伤有些模糊。
关键词:模态柔度;柔度差曲率;行均值
中图分类号:U 44文献标识码:A 文章编号:1671-7147(2010)01-0075-06
Damage Iden tif ica tion of Beam 2Type Structure Ba sed
on M oda l Flex ib ility 2D ifference and Curva ture
L I Hu 2sheng 1
, S ONG Zi 2shou 2
, ZHOU Kui 2
, L I U Xiao 2yi
1,2
(11School of Construction and Security Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 200235,China;21School of Environment and A rchitecture;University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai
200093,China )
Abstract:For dam age identification of the beam 2type structure,modal Flexibility is mo re sensitive than the modal frequencies and disp lacem ent .B y the first few order,the modes can be easily calculated .
In th is paper,based on the difference bet ween flexibilities,curvature of dam age
identification m ethod is p roposed,referred to three ways of calculating the indicator .Sensitive
indicato rs of injury w ill be contrasted to each one .The si mp le beam is set in one p lace,and support
w ith the dam age conditions ,t wo 2span con tinuous beam w ith m ultip le injuries,
through the
si m ulation results .
L ine m ean of modal Flexibility 2difference curvature calculated the best
indicato rs,fo llowed by the largest elem ent in the co lum n of flexibility m atrix .Flexibility diagonal elem ents of the calculation of the indicators can be effective to a si mp le beam ,but m ultip le injuries are vague .
Key words:modal flexibility,flexibility 2d ifference and curvature,line m ean
近年来,随着越来越多的大型桥梁的使用,桥
梁损坏的事故不断发生,桥梁的安全性引起了人们高度关注,亟需高效智能化桥梁损伤预警系统的开发。损伤预警系统的核心部分是损伤识别指标,由于实测数据有很多不稳定性,受各种环境的影响,损伤指标的识别能力对整个系统至关重要。
梁式结构损伤后,通常会导致结构的刚度改变,进而导致频率和振型的改变。频率和振型可以从振动信号中提取,但频率和振型的改变对局部损伤不敏感。由于低阶模态比较容易准确地测量,基于模态柔度的损伤识别得到了国内外众多学者的
研究。Raghavendracha 等[1]
通过对三跨钢筋混凝土桥的数值模拟和试验研究证明了模态柔度比固有
频率和振型对局部损伤更敏感;Pandey 等[2]
的研究表明柔度矩阵可以容易准确地通过低阶振型和频率计算得到,并通过柔度矩阵的改变量对结构进行损伤识别,比固有频率对局部破坏识别效果更明显。虽然结构损伤前后的柔度差可以进行损伤识别,但柔度矩阵的每一列表示某自由度施加单位力后产生的位移,而位移是累积量,位移差最大处不一定是损伤最大处,尤其是支座附近和梁跨中附
近,会出现难以识别的情况。姚京川等[3]
利用梁损伤前后的模态柔度,提出了基于模态柔度曲率改变率的桥梁结构损伤识别方法,计算结果明显好于由
柔度差直接计算的结果。李永梅等[4]
根据柔度提出了柔度曲率矩阵法,并使用该方法对悬臂梁、简支梁和连续梁进行了损伤识别数值研究,但当结构为小程度损伤时,使用该法就有些差强人意。曹晖等[5]
使用模态柔度曲率的损伤检测方法,对简支梁和连续梁单处和多处损伤进行了数值模拟,其柔度曲率差的计算仅是使用柔度矩阵列最大元素计算得到的;文献[629]也对柔度矩阵方法做了研究。
文中在前人的基础上,提出了柔度差曲率法,通过3种方法计算损伤指标,并将这些指标在各种损伤工况下进行了比较分析。
1 柔度差曲率原理
柔度矩阵法是基于结构振动特性的损伤识别
方法,它利用结构的反应或动力特性的变化对结构的整体性能进行损伤监测,即将结构系统的实测模态特性与健康结构的模态特性进行比较,判断结构是否发生损伤及损伤程度。
由振动理论可知,结构的柔度矩阵[F ]可表示为
[F ]=[<][f ]-1[<]T =∑n
i =11ω2i
i
(1)式中:[<]为结构的正则化振型;[f ]为结构的固有频率矩阵;ωi 为结构第i 阶固有圆频率;
从公式可以看到,柔度与固有频率成反比,通过前几阶模态可以计算得到可靠的柔度。低阶振型的测量对测点的位置和测点的数量要求不是太高,通过有限元数值模拟和实际动态测量可以只提取竖向振型。结构损伤的单元的节点处,其柔度矩阵差会产生突变,但变化不明显,对其进行一次差分,将会使变化更加明显,值变化明显的地方就是损伤位置。文中指标柔度差曲率通过3种方法计算,步骤如下:
1)对角元素计算:求损伤前后的柔度矩阵差:
Δ[F ]=[F ]d -[F ]u (2)式中,[F ]u ,[F ]d
,Δ[F ]分别为损伤前后柔度矩阵和柔度差矩阵:
δ[F ]=diag (Δ[F ])(3)
式中δ[F ]为柔度差矩阵对角元素按节点组成的列矩阵,δ[F ]对中的元素f j 进行列差分:
M FC =
f (j+1)-2f j +f (j-1)
l j (j+1)l (j-1)j
(4)其中,M FC 为对角元素柔度差曲率;j 为节点或测点。
2)列元素计算:求损伤前后的柔度矩阵差,方法同式(1),得到柔度差Δ[F ],将Δ[F ]中每列绝对值最大的元素提出,按节点组成新的列矩阵Δ[F ]max ,对其中的元素使用式(1)中的方法进行列差分:
M FC m =
f (j+1)-2f j +f (j-1)
l j (j+1)l (j-1)j
(5)式中,M FC m 为列元素柔度差曲率;j 为节点或测点。
3)行均值计算:求损伤前后的柔度矩阵差,方法同式(1),得到柔度差Δ[F ],将Δ[F ]中按节点每行进行叠加取平均值,按节点将均值组成新的列矩阵Δ[F ]average ,对其中的元素使用式(1)中的差分方法进行差分:
M FC a =
f (j+1)-2f j +f (j-1)
l j (j+1)l (j-1)j
(6)式中,M FC a 为行平均元素计算的柔度差曲率;j 为节
点或测点。
2 梁损伤识别模拟
结构的损伤一般只是引起刚度矩阵的变化,由刚度的变化引起损伤,计算时通过弹性模量的折减来模拟,通过对简支梁和两跨连续梁仿真,使用文
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中所提的3种方法,进行M FC、M FC
m 和M FC
a
识别
效果的比较,数值模拟时,仅考虑梁结构的竖向柔
度,计算模态柔度时使用前三阶竖向振型和固有频率。
2.1 简支梁
选取梁长L=1m的钢材简支梁建立有限元模型,截面宽度为30mm,高度为30mm,共划分为20个等长的单元,未损伤时的材料弹性模量E1=2×10-11Pa,泊松比取0.3,单元长度0.05m,损伤工况设置如表1所示。
表1 简支梁损伤工况
Tab.1 Damage of si m ple beam
工况单元号损伤率/%
19D9=20
29D9=40
39D9=60
41,6D1=D6=20
51,6D1=D6=40
61,6D1=D6=60
71,5,10,15D1=40,D5=D10=D15=20 81,5,10,15D1=60,D5=D10=D15=40 2.1.1 简支梁中间损伤 对于梁中间的损伤,根据单元9发生不同程度的损伤,设置了工况1～3,经3种方法计算后的结果如图1～3所示。由M FC 指标可以清晰地看到,9单元处随着损伤程度的增大,损伤指标的值也增大,损伤的左侧未损伤的几个节点处柔度差曲率也有一定变化,损伤程度较小时不易辨别,容易产生误判。但是,M FC计算较为简单。图2为M FC
m
指标,也很容易对损伤进行定位和
程度的识别,缺点是计算复杂。图3是M FC
a
的结果,损伤单元端点的柔度差曲率根据损伤程度发生了不同的突变,未损伤单元的指标值基本接近坐标轴,没有引起误判,此方法计算方便、快捷,识别精度高。
图
1 单元9损伤M FC
F ig.1 Damage M FC of elem en t9
2.1.2 简支梁支座处损伤 从以上可知,如果某单元发生了损伤,单元两端节点的指标值会发生突
变,根据突变判断损伤单元。但是边单元损伤时,其端点不参与柔度差曲率的计算,此时边单元损伤可以只计算非支座节点的指标值。为了考察靠近支座处的边单元的损伤识别效果,设置了工况4到工况6。单元1和单元6损伤20%、40%和60%的情况,经过3种方法计算得到柔度差曲率见图4～6所示。图4给出了边单元1和单元6损伤的M FC计算结果。从图中看出,单元6的损伤明显识别,节点2到节点4有相近程度的突变,无法判断是边单元1还是其他单元的损伤,容易混淆。图5给出了由M FC
m 的计算结果,对边单元1和中间单元6的损伤位置
及程度均能清晰指示。M FC
m
计算使用柔度差矩阵的列绝对值的最大元素进行的曲率。由于总体柔度矩阵中的每一列代表某各自由度施加单位力后各个节点的位移,位移是叠加量,位移改变最大处与损伤最大处并不对应,所以计算得到的损伤程度指
标偏大。图6是两处损伤下由M FC
a
法计算给出的结果。由于对柔度差先进行了均值计算,又进行了曲率计算,所以计算结果比较合理。1单元和6单元节点发生了突变,并且不影响其他节点,而且此方法
77
第1期李胡生等:基于模态柔度差曲率的梁结构损伤识别
计算简便
。
2.1.3 简支梁多处损伤 通过以上模拟,M FC m
和M FC a 方法可以准确地对边单元和中间单元进行定位和损伤程度的指示;M FC 可以对中间单元进行损伤识别,对边单元识别比较模糊,容易误判。为了验证这3种方法对简支梁多处损伤识别的敏感性,设置了工况7和工况8。假设单元1,5,10,15发生了损伤,图7是M FC 指标值图。从图7～9可以看出,M FC 明显比M FC m 和M FC a 方法得到的效果差。图8中12节点的柔度差曲率发生了一定程度的突变,而
图9中12节点的柔度差曲率几乎为0,不受单元10损伤的影响,进一步说明M FC a 比M FC m 精度高
。
2.2 两跨连续梁计算
两跨连续梁有限元模型的长度L =2m ,截面宽0.03m ,高0.03m ,泊松比0.3,单元长0.1m;每跨均分为10个单元,共划分20个单元;中间支座处为
11节点,材料原始状态弹性模量E1=2×105
M Pa 。
通过弹性模量的折减模拟损伤,E2=1.6×105
M Pa
损伤20%,E3=1.3×105
M Pa 损伤40%,E4=
0.8×105
M Pa 损伤60%;端节点1,21不参与曲率的
87 江南大学学报(自然科学版) 第9卷
计算,考虑两跨跨中单元5和单元16的损伤工况和边支座处单元1、中间支座处单元10的损伤。
2.2.1 两跨连续梁跨中损伤 从以上计算结果可以看出,对角元素计算的结果对多处损伤识别的效果不太好,所以仅使用后两种计算方法。图10,11是梁的跨中不同程度损伤时的计算结果,两种方法都可以明确指出损伤单元5,10。但是,使用M FC m 方法计算的图10中可以看出,相同程度的损伤,计算的损伤程度绝对值相差很大。用M FC a 方法计算的结果可以看出,相同程度的损伤,跨两边的突变峰值相差不是很大,从损伤程度准确性的角度考虑,M FC a 效果较好
。
2.2.2 两跨连续梁支座处损伤 图12,13是边单
元1和跨中支座左侧单元10发生两种不同损伤程度时,使用列元素和行均值计算得到的图形。可以看出,两种方法都可以识别损伤位置。从图12中可以看出,柔度差曲率绝对值在节点11处有峰值,明显高于其两侧的节点,而其两侧节点的曲率绝对值相差不大,很难判断是单元10的损伤还是单元11的损伤。图13中10单元的两侧节点的指标值都有很大的突变,但是两个值相差不是很大,可以判断10单元发生了损伤。9节点和12节点的值也发生了
一定的改变,是由单元10的损伤所引起的,所以使用M FC a 计算的效果更好。简支梁跨中单元9损伤程度与行均值计算的指标值的关系如图14所示,在损伤40%之前,损伤指标值与损伤程度基本成线性关系,损伤程度累积到一定程度后,即结构损伤比较严重时,损伤程度指标值与损伤程度成幂指数关系急剧增大
。
3 结 语
使用结构损伤前后的模态柔度差,求其曲率作
9
7 第1期李胡生等:基于模态柔度差曲率的梁结构损伤识别
为损伤识别的指标,其突变处就是损伤位置,并显示其损伤程度。通过使用柔度差矩阵的对角元素、柔度差矩阵的列最大元素、柔度差矩阵的行平均值3种方法计算柔度差曲率,对简支梁的单处、多处和支座处的损伤识别进行比较,并使用识别效果较好的列最大元素计算和行均值计算方法应用到两跨连续梁,通过模拟计算得到以下结论:
1)柔度差曲率通过结构的低阶模态易于求解,本方法可以明显识别损伤位置和程度,3种方法都可以对简支梁的1处损失进行很好地识别,对于多处损伤和支座处的损伤,对角元素计算的结果有缺陷,容易出现误判和漏判;对于两跨连续梁的跨中
损伤识别,M FC
m 和M FC
a
都可以进行损伤识别,支
座处损伤时,后者效果明显好于前者。
2)损伤程度较小时,损伤指标值与损伤程度基本成线性关系,损伤程度累积到一定程度后,即结构损伤超过40%时,损伤程度指标值与损伤程度成幂指数关系急剧增大。
3)支座处和跨中发生相同程度的损伤时,使用同一种计算方法得到的指标值不同,表现为,跨中处的指标值最大,远离跨中指标值逐渐减小,支座处最小。使用3种方法对某种损伤程度计算的指标值也不同,表现为使用行均值法计算的比较合理。实际使用时,可以根据某种方法计算确定损伤,也可用多种方式计算,进行比较。
尽管通过数值模拟用3种方法对两跨连续梁的单处、多处和支座处的损伤进行了较好的识别,但在实用过程中还存在一些问题:(1)文中进行了数值模拟,未考虑噪声温度等环境因素的影响,在实际工程中,以采集的信号中提取模态,上述环境因素应加以考虑;(2)相邻单元在损伤过程中会对损伤指标值产生相互影响,影响程度如何,尚需要进一步研究。(3)文中只是用数值模拟的方法对所提指标进行了验证,未通过桥梁模型的试验验证,将所提的方法应用到实际工程中,是今后的研究重点。
参考文献(References):
[1]RaghavendracharM,Aktan A E.Flexibility by multireference i m pact testing for bridage diagnostics[J].Journal of Structural
Engineering,1992,118(8):218622203.
[2]Pandey A K,B is was M,Sa mman M.Damage detecti on fr om changes in curvature mode shapes[J].Journal of Sound and
V ibrati on,1991,145:3212322.
[3]姚京川,杨宜谦,王澜.基于模态柔度曲率改变率的桥梁结构损伤识别方法[J].中国铁道科学,2008,29(5):51256.
Y AO J ing2chuan,Y ANG Yi2qian,WANG Lan.Da mage identificati on of bridge based on difference of modal flexibility[J].
China Rail w ay Science,2008,29(5):51256.(in Chinese)
[4]李永梅,周锡元,高向宇.基于柔度曲率矩阵的结构损伤识别方法[J].北京工业大学学报,2008,34(10):106621070.
L I Yong2mei,ZHOU Xi2yuan,G AO Xiang2yu.Detecti on indict or of structural nondestructive da mage based on curvature2 flexibility2difference matrix[J].Journal of Beijing University of Technol ogy,2008,34(10):106621070.(in Chinese)
[5]曹晖,M ichael I Fris well.基于模态柔度曲率的损伤检测方法[J].工程力学,2006,23(4):33238.
C AO Hui,M ichael I Fris well.Nondestructive damage evaluati on identificati on based on modal flexibility curvature[J].
Engineering ofM echanics,2006,23(4):33238.(in Chinese)
[6]荆龙江,项贻强.基于柔度矩阵法的大跨斜拉桥主梁的损伤识别[J].浙江大学学报:工程科学版,2008,48(1):1642169.
J I N G Long2jiang,X I A NG Yi2qiang.Da mage identificati on of main girders for l ong s pan cable2stayed bridge based on flexibility matrix[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science,2008,48(1):1642169.(in Chinese)
[7]孙宗光.大跨度斜拉桥结构的动力损伤检测[D].杭州:浙江大学,2001.
[8]Sohn H.A review of structural health monit oring literature:199622001[R].Los A la mos:Los A lamos Nati onal Laborat ory,2002.
[9]唐小兵.结构损伤识别与数值模拟[D].武汉:武汉理工大学,2004.
(责任编辑:杨 勇) 08 江南大学学报(自然科学版) 第9卷
结构模态分析方法
模态分析技术的发展现状综述 摘要：本文首先系统的介绍了模态分析的定义，并以模态分析技术的理论为基础，查阅了大量的文献和资料后，介绍了三种模态分析技术在各领域的应用，以及国内外对于结构模态分析技术研究的发展现状，分析并总结三种模态分析技术的特点与发展前景。 关键词：模态分析技术发展现状 Modality Analysis Technology Development Present Situation Summary Abstract：This article first systematic introduction the definition of modality analysis,and based on modal analysis theory,after has consulted the massive literature and the material.Introduced application about three kind of modality analysis technology in various domains. At home and abroad, the structural modal analysis technology research and development status quo.Analyzes and summarizes three kind of modality analysis technology characteristic and the prospects for development. Key words：Modality analysis Technology Development status 0 引言 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。模态分析的过程如果是由有限元计算的方法完成的，则称为计算模态分析;如果是通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别来获得模态参数的，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。 1 数值模态分析的发展现状 数值模态分析主要采用有限元法，它是将弹性结构离散化为有限数量的具体质量、弹性特性单元后，在计算机上作数学运算的理论计算方法。它的优点是可以在结构设计之初，根据有限元分析结果，便预知产品的动态性能，可以在产品试制出来之前预估振动、噪声的强度和其他动态问题，并可改变结构形状以消除或抑制这些问题。只要能够正确显示出包含边界条件在内的机械振动模型，就可以通过计算机改变机械尺寸的形状细节。有限元法的不足是计算繁杂，耗资费时。这种方法，除要求计算者有熟练的技巧与经验外，有些参数(如阻尼、结合面特征等)目前尚无法定值，并且利用有限元法计算得到的结果，只能是一个近似值。 正因如此，大多数数学模拟的结构，在试制阶段常应做全尺寸样机的动态试验，以验证计算的可靠程度并补充理论计算的不足，特别对一些重要的或涉及人身安全的结构，就更是如此。 70 年代以来，由于数字计算机的广泛应用、数字信号处理技术以及系统辨识方法的发展 , 使结构模态试验技术和模态参数辨识方法有了较大进展，所获得的数据将促进产品性能的改进、更新[1] 。在硬件上，国外许多厂家研制成功各种类型的以FFT和
梁壳组合结构的有限元合理建模
２ 梁壳组合结构的有限元建模 ２．１ 单元类型的选择 对于需要混合使用多种类型单元的梁壳组合结构而言，为了在不同类型的单元间实现无缝连接，保证相互间载荷传递的正确性，根据所分析问题的要求选择合适的单元类型是非常重要的。要实现这一点，最基本的就是要保证所选梁单元和壳单元具有相同的结点自由度类型及数量，进一步的，对于一些特殊类型的结构保证单元具有相同的阶次或相近的形函数形式也是非常重要的。此外，为了保证加强板的作用能被充分考虑，加强板需要用多个单元离散，与之焊接的梁也相应的需要划分多个单元，这可能导致最终的梁单元为深梁，此时就应考虑选用计及剪切变形影响的梁单元。 ＡＮＳＹＳ提供了多种用于梁、壳建模的单元类型，以满足不同分析场合的要求。由于工程机械结构的重要性，在设计时不需要考虑其塑性的扩展和利用、其始终处于弹性阶段，因此对梁构件可选用ＢＥＡＭ１８８单元类型、壳体构件可选用ＳＨＥＬＬ４３单元类型。ＢＥＡＭ１８８单元与ＳＨＥＬＬ４３单元均为一次单元，每个单元结点均有６个自由度：三个平动自由度（ｕｘ，ｕｖ，ｕｚ）和三个转动自由度（θｘ ，θｖ，θｚ），可以保证受力的正确传递。Ｓｈｅｌｌ４３单元考虑了剪切变形的影响，适合于中等厚度的壳体建模。Ｂｅａｍ１８８单元是Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁单元，采用如下形式的形函数： （１） 式中：ｕｉ—某方向位移场；ｓ—ｕｉ方向的自然坐标； 梁壳组合结构的有限元合理建模 王强 贵州交通职业技术学院 ５５０００８ １ 引言 在当前实际应用的工程结构中，出于结构形式、连接条件、承载要求等方面的考虑，很多工程结构都采用梁壳组合结构的形式作为各种外加载荷的支撑件，如工程机械领域的港口起重机、动臂式塔机等的桁架吊臂往往在臂头和臂根焊接钢板以局部加强。此外，为了分析的需要或简化建模与计算，也往往将一些纯板壳焊接结构作为梁壳组合结构进行分析。 对梁壳组合结构进行力学分析以保证其强度和刚度满足使用要求是设计中必不可少的一环。显然要获得此类结构的理论解析解几乎是不可能的，在工程实际中往往要借助于有限元方法。有限元分析中最重要的步骤是有限元模型的建立和约束、载荷的施加，后者需要满足特定行业设计规范的要求，有一定的程式可循，而针对此类结构的特点，快速、合理建模问题还少有谈及。因此，本文以当前应用较为广泛的通用有限元软件ＡＮＳＹＳ为平台，探讨复杂梁壳组合结构有限元模型的快速、合理建模方法及在建模过程中应注意的问题，对同类结构的有限元建模提供一些可供借鉴的有益经验。 ｕｉＩ、ｕｉＪ—ｕｉ方向的单元始、终结点位移。与Ｅｕｌｅｒ－Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ梁相比，其计入了剪切变形对梁弯曲的影响，适合于短粗梁的有限元建模。 ２．２ 有限元模型的建立 ＡＮＳＹＳ提供了两种建模方式：一是首先建立结构的几何模型，通过对几何模型进行有限元网格离散而获得有限元模型；二是首先生成结点，随后由结点直接生成单元而获得有限元模型。至于具体使用何种建模方式或综合使用此两种建模方式应依据结构的实际情况灵活决定。 工程机械等领域中的梁壳组合结构往往以梁为主要承载构件，板壳仅起局部加强作用。有限元方法中的梁单元属线单元，当使用二结点线性梁单元时，其有限元模型的几何表现为一条直线，通常在其形心轴线位置上建立有限元模型。在梁壳组合结构中，梁是主要构件，且需要与其它构件相连，因此在其有限元建模时位置不能改变，即仍应按其形心轴线建模；板壳属附属构件，在对其进行有限元建模时，由于壳体构件需要使用许多单元离散，而通过结点生成单元的方式逐一生成这些单元无疑将非常烦琐，尤其是当加强板较多时，因此对壳体应采用第一种建模方式。 综合上述分析，工程机械中复杂梁壳组合结构的有限元建模有两种方法，本文通过图１（ａ）中所示结构为例加以说明，图中两根梁之间焊接了一块加强板，在此假设梁为圆管（工程机械的此类结构中的梁大部分为圆管，对其它截面形式的梁建模方法基本相同）。第一种建模方法的步骤如下： （１）在梁的形心线和加强板的中平面位 图３ 港口起重机桁架吊臂的有限元模型和分析结果 图１ 梁壳组合结构几何模型和有限元模型示意图图２ 梁壳组合结构及其有限元模型
基于曲率模态的拱板结构损伤识别
第29卷第5期暨南大学学报(自然科学版) V ol .29 N o .52008年10月Jou rnal of J inan U niversity (N atural Science ) O ct . 2008 [收稿日期] 2008-05-06 [基金项目] 广东省科技攻关项目(2006B12401008);广东省高校自然科学重点研究项目(05Z003) [作者简介] 赵 俊(1983-),男,博士生,研究方向:结构损伤检测和加固;E 2mail:zhaojunjick@https://www.360docs.net/doc/382580785.html,.通讯作者:马宏伟 基于曲率模态的拱板结构损伤识别 赵 俊1 , 程良彦2 , 马宏伟 2 (1.暨南大学信息技术研究所,广州市盛通建设工程质量检测有限公司,广东广州510075;2.暨南大学理工学院,“重大工程灾害与控制”教育部重点实验室,广东广州510632) [摘 要] 以两边铰支的圆弧形拱板为研究对象,通过有限元数值模拟计算得到拱损伤前后的第一阶模态参数, 然后运用中心差分法近似求得拱板面内两方向的径向位移模态曲率和转角位移的二阶导数,并用于拱板的损伤检测研究.结果表明:当布置有足够数量的振型测点时,拱板损伤前后径向位移两方向模态曲率差之和与转角位移两方向二阶导数差之和均可有效地用于拱板损伤的探测和定位,并大致判断其损伤程度. [关键词] 曲率模态; 拱板; 无损检测; 数值模拟 [中图分类号] O235 [文献标识码] A [文章编号] 1000-9965(2008)05-0470-08 The damage detecti on i n the arch ba si n g on the changes i n curva ture m ode shape Z HAO Jun 1 ,CHE N L iang 2yan 2 ,MA Hong 2wei 2 (1.I nf or mati on Technol ogy Research I nstitute,J inan University,Guangzhou Shengt ong Quality Testing of Constructi on Company,Guangzhou 510075,China; 2.College of Science &Engineering,J inan University,The Key Laborat ory of D isaster Forecast and Contr ol in Engineering,M inistry of Educati on of China,Guangzhou 510632,China ) [Abstract] Taking a circular arch si m p ly supported al ong its t w o edges as an object of study,a study on the da mage detecti on of the arch ismade based on its dis p lace ment eigenpara meters and r otati on eigen 2para meters ,which are derived fr om calculated modal para meters of the arch before and after its da mage .Analytical results show that the de mage,including its l ocati on and extent,can be or can app r oxi m ately be detected fr o m both the changes of curvature mode shapes and the second 2order derivative of r otati on chan 2ges due t o the de mage,p r ovided that the number of points f or measuring the mode shapes of the arch is large enough . [Key words] curvature mode; arch; non 2destructive detecti on; numerical si m ulati on 近几十年来,拱板结构被广泛地应用在桥梁、大型建筑物顶棚及大坝等重要公共建筑物结构中,这些结构通常都集中在人口比较密集的城市里,故其出现损伤而造成的破坏力就很大,所以对拱板结构 进行损伤检测及其准确定位尤为重要,但目前国内外学者对拱板损伤检测的研究还很少. 通常来说,结构的损伤一定会引起结构某些物理特性的改变(如刚度、质量和阻尼),通过这些物
连续梁桥汽车冲击系数试验及数值研究
——————————————— 本文为江西省自然科学基金资助。作者简介：张期星(1983-)，男，山东人，硕士研究生，从事桥梁结构工程研究(E-mail:zh_q_x123@https://www.360docs.net/doc/382580785.html,)；陈水生 连续梁桥汽车冲击系数试验及数值研究 张期星1 ,陈水生2 (1.2华东交通大学土木建筑学院 江西南昌330013) 摘 要：本文主要分析三跨连续梁桥，应用达朗贝尔原理，推导了三轴半车模型下的车桥耦合振动方程，比较了在不同车速和不同跨径作用下的汽车冲击系数，并且对多个连续梁桥汽车冲击系数的实测结果进行了分析。文中采用有限元法离散，将无限自由度系统转化为有限自由度系统，使用Ansys 软件进行了三跨连续梁桥的模态分析，提取出前10阶模态分量和振型频率，利用模态叠加的方法对车桥耦合振动方程进行解耦，并且利用Matlab 软件编程进行了数值模拟，分析了三跨连续梁桥车桥耦合振动特性。在仅仅考虑竖向位移的情况下，主要采用了Newmark 方法，编程得出了不同车速和不同跨径对三跨连续梁桥汽车冲击系数的影响规律：汽车冲击系数随着车速的提高而增加，车速较低时(一般在20km/h-40km/h)冲击系数变化缓慢，当车速大于50km/h 后，冲击系数变化较大；汽车冲击系数随着跨径的增大而降低，跨径越大，其值越接近于1.0。 关键词：三跨连续梁桥；汽车冲击系数；车桥耦合模型 Experimental and numerical study on Impact coefficient of continuous girder bridge under vehicle Zhang Qixing 1 Chen Shuisheng 2 (Institute of Civil construction,East China Jiaotong University,nanchang,Jiangxi330013,China) Abstract ：This paper mainly analyses three-span continuous girder bridge. The coupled vibration functions of vehicle and bridge with five degree of freedom vehicle model are derived using the D’Alembert’s principle. The impact coefficient of vehicle are analysed under condition of various span length and speeds of moving vehicle, and the measured results of several continuous girder bridge are analysed. The studies adopt the method of finite element discrete to turn the system of infinite degree of freedom into the system of finite degree of freedom, and analyse the mode of three-span continuous girder bridge under the use of the Ansys software to exact the mode components and frequencies. Then the coupled vibration functions of vehicle and bridge are decoupled with the method of modal superposition, and the coupled vibration characteristics of vehicle and bridge are analysed by the numerical simulation of Matlab software. On the condition of only considering the vertical displacement, it programs by the method of Newmark to conclude the influence law of impact coefficient of vehicle for three-span continuous girder bridge under condition of various span length and speeds of moving vehicle: impact coefficient of vehicle would rise with the rise of speed of vehicle,when the speed of vehicle is relative lower(approximately 20km/h- 40km/h),the value would change slowly,but the speed surpasses 50km/h,it would change obviously; impact coefficient of vehicle would decrease with the rise of span length,and the more large is the span length,the more close to 1.0 is the value. Key word ：three-span continuous girder bridge;impact coefficient of vehicle;vechicle-bridge coupled model 0 引言 目前，车辆对桥梁的冲击作用我们通常采用汽车冲击系数μ或者动力增量φ来描述，即在考虑桥梁静载作用下的响应乘以一个相应的动力系数。由于冲击系数关系到桥梁结构设计的安全与经济性能，所以其取值的大小对于桥梁结构在车辆荷载作用下的安全举足轻重。各国旧规范的冲击系数都是采用跨径或加载长度的递减函数来计算的[1]，但是影响车辆与桥梁相互作用的因素很多，比如车辆与桥梁整体系统的刚度、质量、阻尼、桥面的不平整度、加载车辆数目、车辆 间距、加载车道、车辆相向行驶、以及车速与跨径的影响等等[2]，它是一个非常复杂的问题，所以单纯的考虑桥梁跨径或者加载长度对于汽车冲击系数来讲是很不严密的。因此04规范给出了与桥梁结构基频的关系。 1 三轴半车模型的建立及求解 如图1所示，为三轴半车模型，假定连续梁桥每跨具有相同的跨长、质量和刚度。由达朗贝尔原理得到车辆振动方程 1f 1f 1f 1f c 11c 111f 1c 11c 111f 111z c z k k l z k z )k k (c l z c z )c c (z m +=+?+++?++θθ (1) 2f 2f 2f 2f c 22c 222f 2c 22c 222f 222z c z k k l z k z )k k (c l z c z )c c (z m +=??+++?++θθ(2)
模态分析意义
模态分析意义模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与胯动响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。近十多年来，由于计算机技术、
FFT 分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。在各种各样的模态分析方法中，大致均可分为四个基本过程：（1）动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析1）激励方法。试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。2）数据采集。SISO 方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振形数据。SIMO 及MIMO 的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本较高。3）时域或频域信号处理。例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。（2）建立结构数学模型根据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数依据。目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和时
压电梁的模态分析
/facet,norml 压电梁的模态分析 几何尺寸：梁的长度L1=300mm 宽度W=30mm 厚度H1=2mm 压电片长度L=50mm 宽度W=30mm 厚度H=1mm 采用pzt-5H压电陶瓷片 模态分析结果 一阶振型（f=23.144Hz）
二阶振型(f=137.52Hz) /prep7 ! PZT-5H 材料特性参数 mp,DENS,1,7700 ! 密度, kg/m**3 mp,perx,1,1700 ! 介电常数 mp,pery,1,1700 mp,perz,1,1470 tb,ANEL,1 ! 弹性劲度系数, N/m^2 tbdata,1,12.6E10,7.95E10,8.41E10 ! c11,c12,c13 tbdata,7,12.6E10,8.41E10 ! c11,c33 tbdata,12,11.7E10 ! c33 tbdata,16,2.30E10 ! c44 tbdata,19,2.30E10 ! c44 tbdata,21,2.35E10 ! c66 tb,PIEZ,1 ! 压电（应力）常数, C/m^2 tbdata,3,-6.5 ! e31 tbdata,6,-6.5 ! e31 tbdata,9,23.3 ! e33 tbdata,11,17.0 ! e15 tbdata,13,17.0 ! e15 !定义主结构的材料参数 mp,dens,2,7800 EX,2,209e9 nuxy,2,0.3 ! 定义压电复合梁几何模型(L=50mm W=30mm H = 1 mm) L=50e-3 W=30e-3 H =1e-3 !压电片几何尺寸L1=300e-3 H1=2e-3 !主结构几何尺寸 local,11 ! 建立下层局部坐标+Z 方向 local,12,,,,,,,180 ! 建立上层局部坐标-Z 方向 csys,11 ! 激活局部坐标系11 +y 方向 block,0,L1,0,W,O,H1 block,0,L,0,W,0,-H block,0,L,0,W,H1,H1+H vglue,all !将梁同压电片粘结et,1,solid5,3 !定义压电单元 et,2,solid45 !定义主结构单元 !采用映射划分网格连接相邻面 asel,s,loc,z,0 cm,CM_1,area cmplot,CM_1 accat,CM_1 asel,s,loc,z,H1 cm,CM_2,area accat,CM_2 !进行网格划分 LESIZE,ALL,5e-3, , , ,1, , ,1, mat,1 $ type,1 $ esys,11 !对下层压电片网格划分Vmesh,4 mat,2 $ type,2 $ esys,11 !对中间结构网格划分Vmesh,6 mat,1 $ type,1 $ esys,12 !对上层压电片网格划分vmesh,5
模态参数识别方法的比较研究
模态参数识别方法的比较研究 发表时间：2017-09-07T14:07:39.937Z 来源：《防护工程》2017年第9期作者：安鹏强[导读] 本文将频域法、时域法和整体识别法识别模态参数的应用范围、存在的优缺点进行对比、分析和说明。 航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司甘肃兰州 730050 摘要：本文将频域法、时域法和整体识别法识别模态参数的应用范围、存在的优缺点进行对比、分析和说明，对模态参数识别的研究方向具有指导意义。 关键词：模态参数识别；频域法；时域法；整体识别法 引言 多自由度线性振动系统的微分方程可以表达为[1]： [M]{x ?(t)}+[C]{x ?(t)}+[K]{x(t)}={f(t)} 通过将试验采集的系统输入与输出信号用于参数识别的方法中，进而对系统的模态质量、模态阻尼、模态刚度、模态固有频率及模态振型进行识别，这一过程称为结构的模态参数识别。本文将对模态参数识别的频域法、时域法及整体识别法三者的应用范围、存在的优缺点进行对比、分析和说明。 1频域法 模态参数识别的频域法是结合傅里叶变换理论[1]形成的，这种方法是从实测数据的频响函数曲线上对测试结构的模态参数进行估计。图解法[1]是最早的频域模态参数识别方法，随之，又陆续发展了导纳圆拟合法[2]、最小二乘迭代法[2]、有理式多项式法[2]等多种频域模态参数识别方法。 频域法的优点是直观、简便，噪声影响小，模态定阶问题易于解决。频域法识别模态参数的思路是首先借助实测频响函数曲线对模态参数进行粗略的估计，进而将初步观测的模态估计值作为一些频域识别法的最初输入值，通过反复的迭代获取最终的模态参数。频域识别方法对于实测频响函数的分布容易控制，其输人数据是主观人为的。频域中参数识别方法识别结果的精准度，取决于测试试验中获得的频响函数质量的好坏。判断实测频响函数的质量，就要看其曲线的光滑[2]和曲线的饱满程度[2]，曲线越光滑越饱满的实测频响函数，用其进行参数识别时，识别精度越高。 2时域法 模态参数识别的时域法的研究与应用比频域法晚，时域法可以克服频域法的一些缺陷。时域模态参数识别的技术优点在于无需获得激励力即可进行参数的识别[3-7]。对于一些大型的工程结构如大坝、桥梁等，获取激励荷载不太容易，但容易测得他们在风、地脉动等环境激励下的响应数据，把这些响应数据用于时域中一些参数识别的方法上，即可对测试结构的模态参数进行识别。 时域法的优点不仅在于其无需激励设备、减少测试费用而且可以避免由信号截断而造成对识别精度的影响，并且可实现对大型工程结构的在线参数识别，真实地反映结构的动力特性。但是由于响应信号中含有大量的噪声，这会使得所识别的模态中含有虚假模态。目前，对于如何剔除噪声模态、优化识别过程中的一些参数问题、以及怎样更稳定、可靠地进行模态定阶等成为时域法研究中的重要课题。目前常用的判定模态真假的方法是稳定图方法[8]，该方法的基本思想在于不同阶次的系统模型会对虚假模态的影响比较大，在稳定图中出现次数最多的模态可认为是系统的真实模态。 3整体识别法 结构模态参数识别的单输入单输出类型是针对单个响应点的数据进行相应的计算，从而得到该测点对应的模态频率、阻尼比和振型系数等动力参数，但是对于有多个测点的试验，若要用单输入单输出类型的识别方法对多自由度结构进行参数识别，则需要对各个测点单独计算来识别各个测点对应的模态参数，通过对各个测点分别计算处理，得到每一个测点数据所识别的模态参数，然后求取所有测点响应识别的算术平均值来作为整体结构最终的识别结果。理论上讲，用每个测点数据识别的结果应该是一样的，但实际测试实验中，因测试实验中测点布置位置的不同、测试中其他因素及识别方法上的不完善会使得各个测点的识别结果不同、识别精度不同及错误的识别结果等现象。因此，对于多测点的测试试验，用单输入单输出类型的识别方法进行参数识别不仅会因多次重复导致计算工作量复杂累赘而且识别结果的正确性及精度无法保证。 整体识别的方法避免了单输入单输出类型的一些不足之处。该方法通过将结构上的所有测点的实测数据同时进行识别计算，所识别得到的结果作为结构整体的模态参数，每阶模态的固有频率和阻尼比是唯一的，减小了随机误差，提高了识别进度，并且使得计算工作量大大减少。 4三种识别方法的比较分析 （1）频域内的模态参数识别方法方便、快捷，但在实际运用中人为的主观选择性对识别结果的影响较大； （2）基于环境激励的时域模态参数的识别方法具有测试试验的花费较少、测试相对安全，并且识别精度较高。因此，基于环境激励的时域模态参数的识别方法已成为科研工作者研究的热点问题。 （3）对于多测点的测试试验，用频域和时域的单输入单输出类型识别模态参数不仅会因多次重复导致计算工作量复杂累赘而且识别结果的正确性及精度无法保证。整体识别法将所有测点的数据同时进行处理计算，得到结构的整体识别结果。整体识别方法通过对所有测点数据同时进行识别计算，减小了随机误差，提高了识别进度，使得计算工作量大大减少。 （4）对比时域和频域识别方法对虚假模态的剔除，可以看出，频域中的剔除虚假模态主要依据模态频率在频幅曲线图上会出现峰值的原理，利用该峰值处的幅值角是否为0°或180°来剔除虚假模态；相对频域剔除虚假模态的方法来说，时域中的剔除虚假模态的方法有定量的精度判别指标。总体看来，时域识别方法无法判别是否已将系统的所有模态进行识别且对于阻尼比的确定还有待研究。参考文献 [1] 曹树谦，张德文，萧龙翔. 振动结构模态分析－理论、实验与应用[M]. 天津大学出版社，2001． [2] 王济，胡晓. Matlab在振动信号处理中的应用[M]. 水利水电出版社，2006.
九跨预应力混凝土连续梁的环境振动试验与模态分析
第33卷第6期福州大学学报(自然科学版)V ol.33N o.6 2005年12月Journal of Fuzhou University(Natural Science)Dec.2005 文章编号:1000-2243(2005)06-0782-04九跨预应力混凝土连续梁的环境振动试验与模态分析 陈宜言1,2,许有胜2,宗周红2 (1.深圳市市政工程设计院,广东深圳 518035;2.福州大学土木建筑工程学院,福建福州 350002) 摘要:介绍了深圳市松岗高架桥———九跨预应力混凝土连续梁桥的现场环境振动试验的概况.利用频域中 的峰值法(PP)和时域中的随机子空间识别法(SSI)分别进行桥梁模态参数识别;利用ANSY S建立了全桥三 维有限元模型并进行了理论模态分析,理论计算和实测结果吻合较好.此类测试与分析有助于桥梁的状态 评估与维修加固. 关键词:预应力混凝土连续梁;环境振动试验;动力特性;理论模态分析;深圳 中图分类号:U448.225文献标识码:A Ambient vibration testing and modal analysis of a prestressed concrete continuous girder bridge with9spans CHE N Y i-yan1,2,X U Y ou-sheng2,Z ONG Zhou-hong2 (1.Shenzhen Municipal Engineering Design Institute,Shenzhen,G uangdong518035,China;2.C ollege of Civil En2 gineering and Architecture,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian350002,China) Abstract:An ambient vibration field-testing under traffic-induced excitation on a prestressed con2 crete continuous girder bridge was carried out.The bridge with9-spans is located in S onggang C ounty, Shenzhen,G uangdong Province.The peak picking(PP)method in frequency domain and the stochastic subspace identification(SSI)method in time domain are used for the output-only m odal parameter identification.The3-D finite element m odels(FE M)are constructed by using ANSY S program and a theoretical m odal analysis is then performed to generate natural frequencies and m ode shapes in the3- orthog onal directions.It is further dem onstrated that the results from the FE M agree well with the field tests,which can serve as a referenced m odel in the seismic evaluation or retrofit of the bridge. K eyw ords:prestressed concrete continuous girder bridge;ambient vibration testing;dynamic behavior; theoretical m odal analysis;Shenzhen 1 环境振动试验 1.1 工程概况 松岗高架桥是107国道上的关键桥梁之一,位于深圳市宝安区松岗镇,跨越惠庙线,为部分预应力混凝土矮箱连续梁桥(图1).该桥全长657.15m,跨径组成为(20m+3×24m+20m)+(24m+24m+24 m)+(20m+9×24m+20m)+(20m+7×24m+20m),第二联为桥面变宽段,采用简支体系.桥面宽度为16.5m,分为上下行两幅桥梁.该桥建成于1991年4月,大桥工程按照一级公路桥梁标准设计,设计荷载为汽-超20、挂-120,设计车速为80kmΠh. 由于交通量激增,需要对107国道进行拓宽和改造、提高桥梁通行荷载等级.为了评估旧桥的承载力,为加固改造提供科学依据,在加固前对桥梁进行环境振动试验,本次试验段取用南侧第四联(20m +7×24m+20m). 收稿日期:2005-06-16 作者简介:陈宜言(1959-),男,教授级高工,福州大学兼职教授. 基金项目:深圳市市政工程设计院科技发展资助项目;福建省科技攻关重点资助项目(2003H027)
基于响应信号的结构模态参数提取方法
第36卷 第7期2008年 7月 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition )Vol.36No.7 J ul. 2008 收稿日期:2007209203. 作者简介:毛宽民(19642),男,副教授,E 2mail :kmmao4645@https://www.360docs.net/doc/382580785.html,. 基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2005CB7244101);国家高技术研究发展计划资助项目 (2006AA04Z407). 基于响应信号的结构模态参数提取方法 毛宽民a ,b 李 斌a (华中科技大学a 机械科学与工程学院;b 数字制造与装备国家重点试验室,湖北武汉430074) 摘要: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. 关 键 词:模态识别;频率响应函数;振动;运行模态分析 中图分类号:T H113.1 文献标识码:A 文章编号:167124512(2008)0720077203 R esponse signals 2based structural modal parameter identif ication M ao Kuanmi n a ,b L i B i n a (a College of Mechanical Science and Engineering ;b The State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China ) Abstract :On t he basis of present research o n experimental modal analysis technology ,a new met hod is p ut forward ,which uses one response signal as a reference signal and only use response signals to identify st ruct ural modal parameters.This met hod is especially applicable for big and heavy st ruct ure which can not be excited by hammer or exciter ,like big machine tool equip ment ;and it is also right for t he equip ment s like high 2precision machine tool ,which can not be excited by external forces.This paper does experiment on a free steel beam and testify t he effectiveness of t his met hod by comparing it wit h t he t raditional experimental modal analysis met hod ,which uses a t ransform f unction mat rix to identify modal parameters.The frequency identification precision is very high ,t he error is less t han 0.5%;modal damping ratio n identification p recision is very high ,t he error is less t han 18%;t he model shape is generally t he same wit h a certain difference but is able to reflect t he vibration state.K ey w ords :modal identification ;frequency response f unctio n ;vibration ;operation modal analysis 结构的动态性能主要是由结构的模态参数决定的,结构模态参数提取方法,主要是实验模态分析技术,已经发展得相当丰富[1].这些技术的基本思路是通过实验,在知道结构的激励和响应的情况下,通过频率响应函数(频域法)[2]或脉冲响应函数(时域法)[3]提取结构的模态参数.利用结构的振动响应信号提取结构的模态参数,已经得到 了实验模态分析领域研究人员的普遍关注,提出了许多相应的方法,包括ODS (运行变形形状)和OMA (运行模态分析)[4～8].但这些新方法无一例 外的是在假设结构激励为稳态白噪声激励条件下.显然实际情况并非如此. 本文在现有实验模态分析技术的研究基础上,提出了以一个响应信号作为参考信号,并且只
土木工程结构模态参数识别-理论,实现与应用
土木工程结构模态参数识别－理论、实现与应用 中文摘要 土木工程结构模态参数识别-理论、实现与应用的课题研究来源于国家自然科学基金项目（批准号：50378021）。 土木工程结构是国家基础设施的重要组成部分，直接影响人民的生活和安全。对土木工程结构进行全面的检测、评估和健康监测，就需要充分了解土木工程结构的动力特征参数。模态参数是决定结构动力特征的主要参数，其识别方法一般可分为传统的模态参数识别方法和环境激励下的模态参数识别方法。环境激励振动试验，具有无需贵重的激励设备，不打断结构的正常使用，方便省时等显著的优点，更加适合土木工程结构的实际使用。环境振动试验不同于传统的基于输入和输出的模态参数识别，仅测得了结构振动响应的输出数据，而真正的输入是没有测量的，是仅基于输出数据的模态参数识别。成为目前工程结构系统识别十分活跃的研究课题，也是一种挑战。 本文主要研究了环境激励情况下，土木工程结构的模态参数识别问题。对频域的峰值法和时域的随机子空间识别的理论算法、计算机实现和实际应用进行了深入的研究。完成的主要工作和结论如下： 1.系统地讨论了环境激励情况下模态参数识别频域方法，重点研究了峰值法和频域 分解法，对峰值法改进的途径进行了研究，建议采用平均正则化功率谱，并借助传递函数幅角辅助进行峰值选取，使峰值的选取更加客观准确。频域分解法本质上是基于奇异值分解的峰值法，可以比较客观的选择特征频率和识别相近的模态，识别精度高，是目前较先进的频域识别方法。 2.详细讨论了时域随机子空间识别基本理论和算法，包括协方差驱动随机子空间识 别和数据驱动随机子空间识别。提出了基于稳定图的平均正则化稳定图算法，辅助进行模态参数的自动识别，适应大型土木工程结构分组测试的特点。平均正则化稳定图将不同阶数模型计算的结果综合考虑，提高识别效率和识别精度。分析比较表明，协方差驱动和数据驱动随机子空间方法都可以有效识别结构的模态参数，数据驱动随机子空间方法理论上会比协方差驱动随机子空间方法识别结果更稳定、更精确，但计算时间相对要长些。通过算例详细比较分析了这两种随机子空间识别中不同的加权方法对识别结果的影响。 3.基于VC平台开发了土木工程结构模态分析软件MACES，用计算机实现了模态 参数识别的频域峰值法，包括不同加权方法的时域随机子空间识别算法，可以方便、快捷和高效地完成大型土木工程结构模态参数识别的全过程。主要功能包括