实模态参数的特征曲线法在结构优化设计中的应用

提出了实模态参数的特征曲线法及其在结构优化设计中的应用。利用多节点数值技术,绘制实频率、实模态及实频率的一阶灵敏度的曲线,可以有效地避免重频区间、密频区间及模态跳跃区间等不利于结构优化与控制的设计区间,从而寻找设计参数的优化区间,是一种结构优化设计的新方法。一个具有5自由度系统用来展示此方法的有效性及可行性。     

模拟环境激励下结构模态参数识别试验研究

为了实现结构基于振动特性的健康监测,进行了在线模态参数识别。综合自然激励技术和特征系统实现算法,进行了模拟环境激励下结构的时域模态参数识别。利用特征灵敏度分析得到质量归一化振型。对一个两层钢支撑框架模型进行了模拟环境激励试验和力锤激励试验;通过改变结构质量和特征灵敏度分析,得到质量归一化振型;同时进行了有限元计算分析。通过试验模态参数识别与有限元计算得到的模态参数的对比,证明了该方法的有效性。     

基于有限元模型的结构动力修改程序开发

在对模态参数灵敏度和结构动力修改进行理论分析的基础上,根据工程需要,采用FOR-TRAN语言开发了结构动力修改程序,该程序采用模态法和统一迭代法进行模态参数灵敏度计算,同时,采用二次规划算法和遗传算法进行动力修改逆问题求解。目前该程序可完成复杂结构模态参数的灵敏度分析及动力修改,具有较大的实际意义和应用价值。     

考虑玛湖砾岩油藏复模态结构下的压裂水平井压力分析

玛湖油田为典型的致密砾岩油藏,常用“密切割、长水平段、水平井+体积压裂”的开发方式进行投产,整体具备三线性流模型特征,但砾岩基质独特的复模态结构,导致其又与常规的三线性流模型有所差异。因此,本文从砾岩油藏的复模态结构出发,分析其基质渗流特征,同时以压裂水平井的三线流模型为基础,建立考虑基质复模态结构下的渗流数学方程,并利用换元变换、Pedrosa变换、摄动变换等方法联合对数学模型求解后进行了流态划分、敏感性参数分析及现场应用。研究表明：受改造区基岩中基质与未改造区供液双重影响,本文模型双线性流特征更加明显;同时储容比、窜流系数、启动压力梯度及应力敏感对曲线影响阶段不同,其中储容比、应力敏感越大,压力曲线局部越向上偏移,窜流系数、启动压力梯度越大,压力曲线局部越向下偏移。矿场应用表明：该模型与实际数据拟合较好,符合储层实际情况,可为砾岩储层压裂水平井的动态监测提供一定的指导意义。     

阻尼结构重频特征灵敏度计算的扩展Nelson方法

考虑求解阻尼结构重频特征灵敏度计算问题, 针对传统Nelson方法无法计算重频特征灵敏度的问题, 提出一种新的扩展Nelson方法. 通过构造新的灵敏度特解控制方程, 并证明其系数矩阵的非奇异性, 使其可以计算结构重频复模态振型灵敏度, 扩展了Nelson方法. 该方法保持了传统Nelson方法的优点, 仅利用重频频率对应的模态振型求解, 无需扩大方程求解规模和矩阵重排. 数值实例验证了该方法的有效性.     

一种获取结构实模态振型的方法

为获取结构真实而精确的实模态振型,提出将复振型向量构建的特征方程应用于基于参考点的数据驱动子空间方法中进行结构模态参数识别的方法.为验证该方法识别结构模态参数的可行性和精确性,对一矩形截面悬臂梁端部突加一集中荷载,进行有限元时程分析,得到梁上一系列节点的加速度响应数据,进而利用提出方法识别了悬臂梁的频率、实模态振型及阻尼比.识别结果与悬臂梁模态参数的理论值吻合较好,表明利用复振型向量构建的特征方程结合基于参考点的数据驱动子空间方法进行结构模态参数识别是可行和精确的,该方法可以得到结构可靠的实模态振型.     

对称结构复模态向量的二阶泰勒展开

从计算模态灵敏度的角度来说,所提算法属于一种精确的全模态算法,它努力维持所求得的实模态灵敏度与原始二阶系统输出的复模态的动态行为之间的一致性.首先提出了单侧与双侧两种不同的规范化方法,双侧规范化后的复模态之间的正交规范性可以用来解耦灵敏度支配方程,单侧规范化条件方程可以用来消除灵敏度支配方程的奇异性.其次提出了复模态的一阶及二阶灵敏度和其梯度及海森矩阵的算法公式,从而能够成功构建复模态的一阶及二阶泰勒近似式,为结构优化与控制、损伤识别和模型修正等工程领域的应用提供高精度的算法支撑.提供的数值算例说明了所提算法的正确性及有效性.     

基于复模态灵敏度分析的制动尖叫控制研究

制动器摩擦导致的制动尖叫对汽车的乘坐舒适性有着重要影响,是工业界和学术界面临的重点和难点问题。建立制动器复模态分析模型进行制动器不稳定模态特征分析,并进行系统模态的灵敏度分析,确定子结构模态参数对系统不稳定模态实部和虚部的影响,明确了制动器系统不稳定模态及尖叫发生的关键部件几何参数,为面向制动尖叫抑制的制动器子结构优化设计提供依据。优化方案的复模态仿真及系统尖叫特性试验结果分析表明,基于模态灵敏度分析得到的制动盘V槽深度优化设计方案能有效抑制盘式制动器尖叫问题。     

机电集成电磁蜗杆传动机械系统灵敏度分析

建立了电磁蜗杆传动机械系统动力学模型,采用一阶灵敏度函数法推导出系统灵敏度矩阵,在初选结构参数的基础上,研究机械系统主要结构参数对电磁啮合的影响规律,得出固有频率对这些参数的灵敏度变化曲线。研究结果表明,电磁蜗杆传动机械系统自由振动的模态分蜗杆模态和蜗轮模态;机械系统的固有频率较低;对于每个磁极都有三个不同的固有频率相对应。通过灵敏度分析,可以解决运行过程中机械结构振动的固有频率对传动随机参数的响应问题,选取参数时远离激励频率,避免共振现象的发生,为机电集成电磁蜗杆传动的加工制造提供依据。     

采用ARMAX模型的精磨非线性振动系统辨识

基于外源自回归滑动平均模型(ARMAX),提出改进的动态偏心精密磨削非线性振动系统的二阶振动微分方程解耦算法,获得其传递函数系统模态参数,主要包括模态刚度、模态质量和模态阻尼等的辨识.结合模态辨识理论,优化复模态振型的振动系统传递函数矩阵模态参数的模态留数或模态参数形式辨识算法,并进行相应实验验证.验证结果表明:该复模态振型振动系统解耦算法实现重构传递函数曲线低频区域局部振动特征,计算精度较高,有效应用于精密加工过程非线性振动的预估和控制.     

关于复模态理论的数学方法、物理概念及其与实模态理论的统一性

本文系统地论述了振动结构参数识别的复模态理论的基本数学方法──状态向量法及拉氏变换法的特点、基本推演过程及基本公式，并论证了这两种方法的一致性；解释了复模态模型的物理意义．说明了ｓ城传递函数与频域传递函数的图象关系；用图解法形象地说明了复振型所反映的振动图象。最后，根据复模态理论推演了转化为实模态情况的条件，并从而导得了实模态模型的所有模态参数公式，论证了复模态理论与实模态理论的统一性。     

采用互相关复指数法进行工作模态参数识别

该文在互相关函数理论的基础上，将响应间的互相关函数代替传统复指数法中的脉冲响应函数，提出了一种可以对工作状态下的结构进行模态分析的方法－互相关复指数法。采用一飞机模型对该方法进行了试验验证，所得结果同适调激振法所得结果基本吻合，证实了该文采用的方法可以确实有效地单独从响应数据中提取工作状态下结构的模态参数。     

复模态参数识别

在以往的机床动态性能研究中,一般是采用实模态分析方法来分析研究机床的动态特性,然而,机床结构中存在的阻尼既有材料的内阻尼,又有各结合面之间的接触阻尼,作用机理很复杂,因而,用传统的实模态分析法就无法使系统的运动方程解耦。     

桥梁断面气动导数识别的模态参数插值方法研究

由系统复模态的特征分析可知,同一折减风速(或折减频率)下系统的气动导数可唯一确定该折减风速(或折减频率)下系统振动模态参数,反之亦然.基于该思想可建立系统振动模态参数插值确定桥梁断面气动导数的方法.在此基础上,本文主要探讨了一种归一化提取可直接插值的模态参数的方法从而保证了模态参数插值求气动导数的可行性.数值算例验证表明,归一化提取可直接插值的模态参数的方法是适用的.     

基于虚拟质量的飞机颤振快速分析方法

针对研制初期,飞机结构设计参数存在严重不确定性,颤振设计工作难以快速有效推进的问题,开展了方案设计阶段飞机颤振快速分析方法研究。采用虚拟质量法,通过在原结构一定位置施加虚拟质量,建立可覆盖局部结构参数变化的统一模态振型,然后将此虚拟质量从质量矩阵中移除,以防止影响原结构的动力学特性,并采用虚拟质量模态振型对不同参数下的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵以及气动力矩阵进行广义化,建立虚拟质量模态空间下的颤振方程,并采用g法求解,得到不同参数下的飞机颤振速度。建立了一种飞机颤振快速分析方法,在面对大量参数开展敏感性研究分析时,能有效减少模态分析次数,提高飞机方案设计阶段分析效率。通过算例对比分析可知,该方法计算精度与传统方法基本一致,满足工程需求。     

有限元模型修正中处理不完备实测模态参数的方法研究

首先介绍了实、复模态参数的基本理论。其次介绍了有关实测模态参数的识别及估计方法。然后阐述了2种广泛应用于处理不完备实测模态参数的重要技术——模型缩聚技术和扩展技术,并揭示了它们之间的内在联系。最后介绍了2种应用不广泛但具有一定理论价值的用于处理不完备实测模态参数的方法。     

钢筋混凝土拱肋破坏过程中的模态变化

对一服役28 a旧桥中的2根钢筋混凝土拱肋进行加载过程中的模态试验.基于试验结果和理论分析研究钢筋混凝土拱肋破坏过程中的模态变化规律.通过对损伤进行一致损伤模式与复合损伤模式的划分,解释结构模态频率在受荷初期可能会增大的原因,分析塑性铰位置对拱肋模态频率的影响;采用曲线拟合方法研究拱肋破坏过程中一阶模态频率与所受荷载之间的函数关系.结果表明:该函数近似为二次函数.这为应用模态频率值来预测钢筋混凝土拱肋的极限荷载提供了参考.     

线性随机系统振动模态参数变异规律的研究

采用MonteCarlo随机有限元方法,对多自由度线性振动系统中由于结构参数的随机变异而引起的模态参数(模态频率、模态振型和模态阻尼比)变异的规律进行了研究.文中首次提出了相对均差系数的概念,应用相对均差系数和变异系数这两个无量纲量,从不同角度定量分析随机系统模态参数的变异性.数值试验结果表明,对于小阻尼比例模型,随着结构参数变异性的增大,系统模态频率均值单调变化,较低阶模态频率均值单调减小,高阶模态频率均值单调增加;模态阻尼比均值单调增加;第一阶模态振型相对均值系统的变化很小.一般地,结构参数的随机变异对模态振型均值的影响大于对模态频率、模态阻尼比均值的影响.     

工作模态参数识别方法的研究

针对传统模态识别方法难以准确识别重频、高阻尼比的模态参数的特点,主要研究了系统在环境激励下不同工况用随机子空间法和Polymax算法识别的模态参数(模态频率、模态阻尼比和模态振型)的变化情况。随机子空间法是一种时域模态参数识别方法,在相邻模态的识别方面,它明显优于一些传统的模态识别方法。Polymax模态识别方法也称为多参考点最小二乘复频域法,在阻尼比的识别方面具有明显的优势。本文通过悬臂梁的对比实验研究验证了它们在不同激励条件下的有效性和可靠性。     

从自由模态试验提取约束结构模态参数的方法研究

研究了如何基于模态综合法实现自由试验边界与约束边界的转化。以矩形钢板为例进行理论研究,分别在自由与一端固定两种状态下进行模态试验,提取模态参数,并将自由试验获得的低阶模态频率构成主模态谱矩阵,而主模态振型和高阶剩余模态则由矩形板有限元模型提供,同时将约束条件等效为一种子结构,共同参与模态综合,完成自由试验结果到约束模态参数的转化。数值计算结果与试验结果一致,证明了基于模态综合理论并将试验模型和解析模型相结合的提取方法是可行的。