随机激励下基于ICA的结构模态参数识别

简要介绍独立分量分析(ICA)的基本原理,提出将ICA方法与随机减量法(RDT)结合起来用于随机激励下结构的模态参数识别。结合数值仿真算例和振动试验分析,验证所提出方法用于随机激励下结构模态参数识别的有效性。结果表明,ICA可以准确地从结构随机振动响应信号中分离出各源信号,并同时估计出各阶模态振型向量,源信号与结构模态坐标存在一一对应关系,再结合随机减量法和单模态识别法可识别各阶模态的频率和阻尼比。该方法仅利用振动系统的输出响应进行分析,适用于随机激励下结构的工作模态参数识别。     

大型桥梁模态参数识别的一种方法

提出一种综合运用经验模态分解(EMD)与随机减量技术(RDT)来识别大型桥梁模态参数的方法。首先利用EMD将桥梁在环境激励下的非平稳响应分解成一系列准平稳的本征模函数(IMF)分量,然后用RDT从中提取自由衰减响应,最后将该自由响应表达为一般解析形式,综合运用参数识别理论、最优估计理论识别出桥梁结构的多阶模态参数。利用南京长江大桥实测动力响应识别该桥的模态参数,并将识别结果与有限元分析结果及有关实测值进行比较,表明该方法具有很好的识别精度,适用于大型桥梁的模态参数识别。     

基于解析模式分解的密集工作模态参数识别

长大跨度的桥梁结构或者高层建筑的工作环境振动响应中经常包含密集的模态成分,并会出现模态叠混现象,而传统的信号分析方法往往难以识别结构的密集模态参数。提出一种基于解析模式分解理论与随机减量技术相结合的方法识别环境激励下的结构密集模态参数。对于工作环境激励下的结构振动响应,通过随机减量技术可以提取结构的自由振动响应,利用解析模式分解方法对具有密集模态的自由振动响应进行有效的分解,对每一阶自由振动响应利用最小二乘拟合方法识别出频率与阻尼比。通过两层框架的数值模拟以及对密集频率的密集程度指数和信号时程长度等参数分析,其结果表明通过随机减量技术提取的自由振动响应可以有效的减少模态叠混的影响,虽然提取的自由振动响应的时程长度比实际的信号时程要短,然而解析模式分解仍然能够十分有效的对短时程具有密集模态成分的信号进行有效的分解。最后,通过对一具有密集模态的36层框架的数值模拟,以及对一具有密集模态的3层框架的振动台实验,验证该方法可以有效的识别出环境激励下的结构密集模态参数。     

弹性—粘弹性复合结构的随机响应分析

本文建立在随机振动时域复模态分析的基础上,利用扩阶状态变量,将弹性－粘弹性复合结构系统的微分积分动力学方程变换成常规的状态方程,提出了一种分析弹性－粘弹性复合结构系统随机响应的方法,得到了弹性－粘弹性复合结构系统在平稳随机激励下响应相关函数矩阵的表达式,并对典型的平稳随机激励（平稳白噪声激励及平稳滤过白噪声激励）情形,进行了分析,得到了典型平稳随机激励下,弹性－粘弹性复合结构系统响应相关函数矩阵的代数解析表达式。所提分析方法简便、易用,无论单自由度系统或多自由系统均可适用。本文方法为粘弹性系统的随机响应分析提供了一条途径。     

紊流激励条件下基于随机减量法的颤振边界预测研究

发展了一种紊流激励条件下的颤振边界预测方法。首先基于随机减量法从紊流激励响应中提取出系统的自由衰减响应,其次采用矩阵束法从自由衰减响应中识别出振动响应的主要模态参数,最后用识别出来的模态参数构造稳定性判据,根据稳定性判据与动压或风速的变化关系用曲线外推来预测颤振边界。数值仿真与风洞试验研究表明:利用随机减量法和矩阵束法能够较准确地识别出紊流激励响应中的主要模态参数;稳定性颤振判据下降趋势明显、规律性好,有助于在较低风速下提前预测出颤振边界,从而减小风洞试验或颤振试飞的安全隐患。     

非平稳地震作用下随机结构动力可靠度计算

对非平稳地震作用下的含随机参数结构,建议了一类结构体系动力可靠度的数值模拟求解方法.把结构动力方程写成状态方程形式,采用精细积分法对状态方程进行数值求解,将结构响应表达为一系列随机系数和离散时刻处随机激励乘积的和形式.随机系数为结构随机参数的函数,反映结构随机参数对随机响应的影响.在确定性结构非平稳随机响应时域分析方法的基础上,采用不含交叉项的二次多项式对该随机系数进行重构,获得了结构响应关于结构随机参数和离散时刻处随机激励的显式表达式.基于该显式表达式,利用数值模拟技术可以方便地进行首次超越失效准则下结构体系动力可靠度的求解.对一榀非平稳地震作用下的含随机参数框架进行了结构体系动力可靠度分析,并在计算精度和计算效率上与传统蒙特卡罗法进行了比较,结果显示所提出的方法具有理想的精度和相当高的效率.     

弹性-粘弹性复合结构系统的随机响应分析

本文建立在随机振动时域复模态分析的基础上,利用扩阶状态变量,将弹性－粘弹性复合结构系统的微分积分动力学方程变换成常规的状态方程,提出了一种分析弹性－粘弹性复合结构系统随机响应的方法,得到了弹性－粘弹性复合结构系统在平稳随机激励下响应相关函数矩阵的表达式,并对典型的平稳随机激励（平稳白噪声激励及平稳滤过白噪声激励）情形,进行了分析,得到了典型平稳随机激励下,弹性－粘弹性复合结构系统响应相关函数矩阵的复代数解析表达式。所提分析方法简便、易用,无论单自由度系统或多自由度系统均可适用。本文方法为粘弹性系统的随机响应分析提供了一条途径。     

结构-土相互作用体系的地震作用取值——基于规范地震动模型的复模态时域法

对多自由度结构-土相互作用体系基于规范地震动模型的复模态时域法的地震响应问题进行了系统研究。首先建立了结构运动方程，针对所得运动方程为非对称质量与非经典阻尼矩阵的情况，用复模态法解耦，然后采用与新抗震规范地震动参数一致的Clough-Penzien非平稳随机地震动模型进行随机地震响应分析，获得了体系相对位移方差的时域解。从而可得等效平稳化方差及其峰值，由此便可以得到结构的地震作用取值。晟后，通过一个例子来说明结构-土相互作用体系的地震响应和地震作用取值的计算方法，同时给出了由规范的反应谱法得到的基础固定结构的各质点位移和地震作用取值。     

随机减量模态识别的试验研究

本文采用随机减量技术和ITD时域法对某一悬臂梁进行了试验模态参数的识别。综合研究了随机减量和ITD方法中各参数对分析结果的影响,提出了一些工程上可用的参数选择方案。本文在IBM286微机上建立了数据采集、信号处理和参数识别等完整的时域模态参数识别软件,并与谱分析结果进行了对比,获得了比较满意的结果。     

加权随机减量法

随机减量方法是70年代初提出的一种获取线性振动系统自由响应的技术.这种方法对于施加在线性系统上的随机激励只有定性的要求,而没有定量的要求.本文在传统的算术平均的随机减量法的基础上,提出了加权相加时移信号段的加权随机减量法,作了初步的理论论证,并通过数值仿真计算,证实了若选择合适的权函数,加权随机减量法能比原来的方法有更高的精度.文中也指出了算术平均法是本文加权随机减量法的一利特例.     

某菱形截面纪念碑风致气弹响应风洞试验研究

对某高100米的菱形截面纪念碑进行刚性模型多点同步扫描测压与摆式气弹模型测振风洞试验,进而在测压数据基础上建立频域风荷载模型并采用随机振动分析方法计算结构风振响应,同时应用随机减量技术（RDT）识别了该气弹模型风致振动时的气动阻尼比。当在频响函数中考虑气动阻尼比后的风振响应计算结果和气弹模型试验值具有很好的一致性。由于实际结构振型与摆式模型线性振型存在差异,用振型修正系数修正气弹模型试验结果可得到实际结构风振响应。分析结果表明,刚性模型测压建立荷载模型,结合气弹模型测振识别气动阻尼,代入实际结构频域响应计算方法能够较精确地评估强风作用下低频小阻尼高耸结构的风致气弹响应。     

紊流风场中开孔结构的孔口阻尼特性研究

利用伯努利方程导出了孔口粘滞阻尼比的表达式，并通过能量耗散原理得到了孔口阻尼比与开孔屋盖系统模态阻尼比的关系。设计制作了具有不同开孔率的两个平屋面气动弹性模型，进行了突然开孔后屋面风振稳态响应的风洞试验，利用经验模式分解(EMD)、随机减量技术(RDT)以及希尔伯特变换(HT)成功地提取了开孔屋盖系统第一模态的阻尼比，并与理论结果进行了比较，最终得出在紊流风场中孔口阻尼以粘滞阻尼为主的结论。论文最后根据粘滞阻尼的特性给出了开孔率的准确定义，并导出了临界开孔率的公式，为建筑抗风设计提供了重要的参考依据。     

Effect of fatigue loading on the modal properties of composite structures and its utilization for prediction of residual life

The design of composite structures for fatigue loading utilizes S-N curves to predict the fatigue life based on coupon testing. Due to the complex manufacturing process, the initial fabrication inconsistencies may cause the predicted number of cycles to failure to be off by one or two orders of magnitude. An experimental method is developed to predict the residual fatigue life of composite structures and continuously refine the prediction during the service life of these structures. Global effects on modal parameters, natural frequencies and damping ratios are investigated during the fatigue process. The Random Decrement signal processing technique is used. Changes of modal parameters are correlated with the prediction of fatigue failure life for selected graphite/epoxy composite specimens. The nature of the proposed method lends itself to real-time applications, especially, in service structures, as a nondestructive indicator.     

平稳随机激励下线性随机桁架结构动力响应分析

考虑桁架结构的物理参数、几何尺寸的随机性，利用求解随机变量函数矩的方法和求解随机变量数字特征的代数综合法，从结构平稳随机响应在频域上的表达式出发，导出了随机桁架结构在平稳随机激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。通过算例考察了结构物理参数和几何尺寸的随机性对结构位移响应均方值和应力响应均方值随机变量随机性的影响，并获得了一些有意义的结论。     

Interval spectral stochastic finite element analysis of structures with aggregation of random field and bounded parameters

This paper presents the study on non‐deterministic problems of structures with a mixture of random field and interval material properties under uncertain‐but‐bounded forces. Probabilistic framework is extended to handle the mixed uncertainties from structural parameters and loads by incorporating interval algorithms into spectral stochastic finite element method. Random interval formulations are developed based on K–L expansion and polynomial chaos accommodating the random field Young's modulus, interval Poisson's ratios and bounded applied forces. Numerical characteristics including mean value and standard deviation of the interval random structural responses are consequently obtained as intervals rather than deterministic values. The randomised low‐discrepancy sequences initialized particles and high‐order nonlinear inertia weight with multi‐dimensional parameters are employed to determine the change ranges of statistical moments of the random interval structural responses. The bounded probability density and cumulative distribution of the interval random response are then visualised. The feasibility, efficiency and usefulness of the proposed interval spectral stochastic finite element method are illustrated by three numerical examples. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

SMA阻尼器控制单自由度结构在地震激励下的平稳随机振动研究

对安装有超弹性形状记忆合金(shapememoryalloy,简称SMA)阻尼器的单自由度结构在地震激励下的平稳随机振动进行了理论研究:假定地震地面运动是具有平稳过滤有色噪声模型的随机过程,确定了与《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)相对应的随机地震动模型参数(平稳持时和谱强度因子);建立了SMA阻尼器控制的单自由度结构在平稳地震动过程下的状态方程,并采用随机等价线性化法推导了其平稳反应公式以及基于首超破坏准则的结构动力可靠性公式;通过算例,证明了随机振动解析式是可行的,并指出SMA阻尼器能消耗地震能量,从而有效抑制结构的振动,增加结构动力可靠性。     

随机波浪作用下海洋平台响应分析与结构优化设计

根据随机响应分析的确定性算法,提出了随机波浪作用下海洋平台结构响应灵敏度分析方法。采用虚拟激励算法,将随机响应灵敏度分析问题转化为稳态简谐响应分析,进一步求出结构随机响应的均值、方差、协方差等统计量的灵敏度。这一过程可直接利用响应分析的程序模块,避免计算振型导数的困难,具有较高的计算效率和精度。与差分法计算结果的比较验证了该方法的效率和精度。在此基础上,研究了随机波浪作用下海洋平台结构尺寸与形状优化方法。本文方法在有限元分析与优化设计软件系统JIFEX中实现,数值算例验证了算法的有效性。     

随机刚架结构在平稳随机激励下的动力响应分析

文中研究了随机刚架结构的平稳随机响应问题。考虑结构物理参数的随机性，导出了结构在平稳随机激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。通过算例考察了结构物理参数的随机性对结构动力响应均方值随机性的影响，并获得了若干有意义的结论。     

磁场中简支矩形薄板的非线性稳态随机振动

根据电动力学理论、板壳磁弹性理论和结构随机振动理论,导出电磁场中矩形薄板的磁弹性非线性随机振动方程,然后利用伽辽金法对四边简支矩形薄板的非线性随机振动方程进行整理,得到伊藤型状态方程;在外界激励是平稳高斯白噪声的条件下,利用稳态的FPK方程法求解得到薄板的稳态随机振动位移和速度响应的多个数字特征;通过具体数值算例分析,讨论了电磁参数对各数字特征的影响。