基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构

提出一种基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构方法,通过两次坐标变换将全结构缩聚为自由度更少的超单元模型,将超单元模型的模态分为密集模态和剩余模态。通过经验模态分解法分离出已知响应中单阶的剩余模态响应,进而重构出待测位置的剩余模态响应,待测位置的密集模态响应可由模态振型和剩余模态计算得到,通过模态叠加法实现在密集模态下的时域响应重构。进行了数值模拟研究,将待测位置响应的理论值与重构值进行比较以验证该方法的精度和效率,此外还详细研究了主模态数量、子结构划分方式、测量噪声和阻尼对重构结果的影响。结果表明：该文方法通过模型缩聚大大减少了重构的数据量,并且改善了传统EMD方法不能分离频率间隔较小的模态而无法实现响应重构这一不足,无论密集模态存在与否都可适用于结构的应力、应变、位移、加速度等多种动力响应的重构。     

基于应变模态响应重构的损伤识别方法EI北大核心CSCD

土木结构的损伤识别技术对提升结构可靠性与安全性具有重要意义,也是土木结构健康监测研究中的热点问题。现有的损伤识别方法往往需要识别模态参数,或者需要准确获取结构外部载荷信息,极大限制了相关方法在实际工程中的应用。为克服现有方法的局限性,该文将结构动态响应重构方法引入到损伤识别中,提出了基于应变模态响应重构的损伤识别方法。构建结构健康状态的有限元模型,以损伤结构测量的信号输入,通过基于经验模态分解的应变重构方法,可以获取使用无损伤模型的结构全局模态响应。以传感器采集的模态响应和重构模态响应的差异作为有限元模型修正的依据,通过应变模态比值构建的传递率的灵敏度矩阵进行迭代运算,求得损伤位置及损伤程度。该方法无需获取结构的外部激励信息,通过高效的时域应变重构,能够在少量测量信号下实现对结构损伤的精确识别。为验证该方法的准确性和高效性,开展了连续梁单一损伤和多损伤识别研究,探讨了测量噪声和模态阶次选取对识别结果的影响,结果表明,该方法能够准确、高效识别不同程度的损伤,对测量噪声具有较强的鲁棒性。     

基于试验模态参数的结构有限元模型修正

本文利用动力缩聚方法研究在结构模态试验的测量自由度小于有限元模型自由度时的模型修正问题,给出了一种利用非完备试验模态参数修正有限元模型的质量和刚度矩阵的方法,该方法可使修正后的模型保持原有的自由度相稀疏特性。     

桥梁动力测试信号的自适应分解与重构

针对桥梁结构动力测试信号噪声水平高、难以分离结构有效信号的特点,在总体平均经验模态分解方法和主成分分析的基础上,建立了自适应分解与重构方法。对经验模态分解结果的模态混叠现象进行深入分析,利用白噪声概率密度函数的均匀性对模态混叠模式一进行了改进,基于相关性分析改进了模态混叠模式二,改进后的分解方法在计算效率和分解精度上均有较大提升;随后对所有分解获得的固有模态函数进行多尺度主成分分析,实现降噪和选择并重构测试信号。分别用模拟信号和实际桥梁测试信号对所提方法的有效性进行了验证。结果表明:改进后的信号自适应分解和重构方法能在降噪的同时,有效地提取桥梁结构信息,可用于实际桥梁结构的动力测试分析中。     

基于测点优化与模态扩展的机械结构振动响应全场重构EI北大核心CSCD

提出一种基于测点优化与模态扩展的机械结构振动响应全场重构方法。使用D优化设计方法确定最优测点布置方案,根据模态扩展方法构造加速度响应扩展矩阵,从而实现由优化布置的有限测点的加速度响应重构机械结构全场加速度响应,并使用有限元分析软件读取重构的加速度响应,实现机械结构响应全场可视化。开展板结构数值仿真分析和振动响应重构试验,验证了当结构处于多模态共振或非共振状态下机械结构振动响应全场重构方法的有效性和鲁棒性。进一步,通过分析各阶加速度模态贡献量,精准选择主要振动模态分析机械结构的振动响应,实现了基于更少测点的振动响应全场重构。     

基于试验模态的高速列车车体结构动力学模型修正研究

精确的有限元模型对于结构动态响应预测以及动态设计至关重要。利用模态试验数据,针对高速列车结构特点与动力学特性,深入分析设计空间方法选择、修正参数选择、响应面拟合和参数修正等关键问题,运用动力修正相关理论提出适合高速列车的基于试验模态车体动力学有限元模型修正方法。并运用该方法,采用模态试验数据修正高速列车车体结构的模态分析模型,频率的计算结果与试验结果的最大误差为-0.260 9%。研究验证基于模态试验数据高速列车车体动力学有限元模型的响应面修正方法的有效性。     

大跨度高空钢结构连廊的有限元模型修正

使用基于灵敏度分析和贝叶斯估计的有限元模型修正方法对复杂连体高层建筑群杭州市民中心的高空钢结构连廊进行了有限元模型修正.通过频率误差和模态置信因子计算,比较分析了修正前连廊数值模型的模态参数和基于环境激励下实测得到的连廊模态参数,以确定数值模型动力特性与实际结构动力特性的差异.通过模态参数对连廊构件物理参数的敏感度分析构造灵敏度矩阵,并在此基础上筛选出对结构模态参数影响程度大的参数.基于贝叶斯估计法构造参数加权矩阵和响应加权矩阵,根据待修正参数初始设计值的置信度设置参数允许的上下边界值,按一定的收敛准则进行迭代修正.修正后连廊模型的动力特性与实测动力特性有很好的一致性,修正模型可以用来对连廊进行振动控制、响应预测及性态评估.     

基于总体平均经验模态分解算法的自适应改进

目前较为广泛使用的总体平均经验模态分解算法(EEMD)不能实现桥梁结构响应信号的自适应分解和重构,基于此,针对EEMD算法的不足,提出了能够实现桥梁结构响应信号自适应分解与重构的改进算法:首先引入自适应极值点匹配延拓算法以抑制端点效应;再对分解信号进行聚类分析以避免模态混叠现象;最后利用各本征模态函数(IMF)对应的信息熵、能量密度和平均周期构建筛选有效IMF分量的指标(有效程度系数),以实现有效IMF分量的自动筛选,再利用筛选出的有效分量对桥梁结构响应信号进行重构。模拟信号和简支梁桥仿真算例表明,所提改进算法能够更有效、更准确的实现桥梁结构响应信号的自适应分解与重构。     

基于多元EMD-AM/FM分解的多点非平稳雷暴风速模拟

雷暴风对建筑物和输电线塔等结构具有很大的破坏性。为了准确估算结构的动力响应,获得可靠的风速样本至关重要。该文结合多元经验模态分解（MEMD）,调频函数/调幅函数（AM/FM）分解和本征正交分解（POD）建立了基于时频分析的非平稳多点风速的模拟方法。第一,采用MEMD分解多点风速,产生固有模态函数;第二,采用AM/FM分解计算各点的固有模态函数的瞬时频率和瞬时幅值;第三,利用POD对瞬时频率解耦;第四,将瞬时幅值和解耦后的瞬时频率用于重构多点非平稳风速。实测多点雷暴风的模拟结果表明: MEMD-AM/FM分解-POD方法能满意地模拟多点非平稳雷暴风速。     

基于CEEMD和小波包阈值的组合降噪及泄流结构的模态识别方法

水流荷载激励下,泄流结构模态识别的实测振动信号常受噪声干扰。以往EEMD算法有添加白噪声造成非标准IMF导致的模态分裂问题及IMF有噪声残余不能完整重构信号的完备性问题。而完备总体经验模态分解(CEEMD)法,通过在信号分解的每一层面添加特定高斯白噪声,利用分解后第一阶分量加总平均得到唯一余量计算固有模态函数,克服了EEMD的缺点;同时提出CEEMD与小波包阈值结合的组合降噪方法,运用到向家坝水弹性模型实测振动信号降噪中,验证了该组合方法降噪的有效性;为了提高带噪振动响应模态识别的精度,基于数据相关技术,利用Markov参数构造相关矩阵R,用该相关矩阵重构Hankel矩阵后SVD分解得到系统最小实现,即数据相关特征系统实现法(ERA/DC)。将滤波降噪结合模态识别的整套方法,应用到锦屏一级拱坝的泄流实测振动响应中,得到了较好的应用效果。     

基于峰频带通信号HHT变换的框架结构试验模态分析

该文提出了基于峰频带通信号希尔伯特-黄变换(HHT)的结构模态参数识别方法。该方法将小波包带通滤波技术与HHT 模态参数识别技术结合,有效的抑制了信号分解过程中的模态混叠现象。采用去端点法较好地解决了带通滤波和经验模式分解(EMD)所引起的端点效应问题,提高了算法的稳定性和可靠性。在此基础上,利用实验室条件下测得的脉冲加速度响应信号有效地识别出钢筋混凝土框架结构模型的模态参数,并和理论计算值进行了比较。结果表明:弯剪层模型比纯剪切层模型更能反映框架结构整体横向振动的动力特性。     

某型车辆驾驶室内部噪声分析研究

建立了某型车辆驾驶室结构的三维有限元模型,对驾驶室进行了试验模态分析,得到了模态参数,检验和修正了结构的三维有限元模型,对驾驶室结构进行了动态响应分析.采用边界元法进行了驾驶室内部声学特性研究,对驾驶员耳旁的声压和声学灵敏度进行了分析,得出了驾驶室内声场的声学特性,对驾驶室结构提出改进措施,有效地降低了车内噪声.     

论分布式陀螺柔性体结构的动力学建模问题

针对含分布式控制力矩陀螺的柔性体结构动力学建模问题,研究了结构和陀螺之间相互耦合对结构固有振动的影响。通过基于有限元离散的建模思路,获得了含分布式控制力矩陀螺的结构动力学模型。对比模态叠加方法,提出原柔性体模态的概念。结果表明,分布控制力矩陀螺对结构固有振动产生了本质的影响。基于原柔性体结构前几阶模态的模态叠加法,由于没有计入结构和陀螺之间的耦合效应,所得到结构动力学降阶模型具有较大误差。     

基于复合优化方法立式数控加工中心的多目标优化设计

为实现加工中心动静态性能不低于优化前性能,达到整机重量最轻的要求,本文提出了一种复合优化方法来研究多变量、多约束和多目标的数控加工中心优化设计。采用有限元分析和实验模态测试方法分析各大件动态性能,并验证了有限元模型的精确性。然后以该有限元模型为基础进行静态分析,得出各大件的最大变形及应力等。以柔度为目标,采用变密度法拓扑优化设计立柱结构的外形框架;以固有频率为目标,基于元结构的可适应性动态优化方法设计加工中心的筋板结构;以固有频率和质量为目标,基于响应面法的尺寸优化确定各结构的最优尺寸。最后将优化后的各大件进行整机装配,分析校核整机动静态性能。分析结果表明,优化后的整机在保证加工中心动静态性能的条件下,整机质量从12749kg减少到12127kg,减重达到4.9%,达到了整机的优化设计要求,说明该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。     

实测模态和结构模型同步修正的结构损伤识别方法

在基于灵敏度分析的有限元模型修正方法基础上,提出一种对实测模态和结构模型同步修正的结构损伤识别方法。即利用有损结构模态与测量噪声在时频域内的差异,以结构有限元模型为基准,对实测模态差进行小波去噪处理,再利用修正后的模态构造目标函数,进行有限元模型修正,经过迭代计算最终可识别结构的损伤。数值算例表明该方法可有效降低噪声的影响,提高损伤识别的精度。     

基于人工神经网络的藏式结构有限元模型修正

针对典型藏式传统建筑年代久远、建造过程无设计图纸、存在太多不确定性,通过有限元数值分析所得结果与实验结果不能较好吻合问题,建立所测结构的有限元模型,并通过人工神经网络方法,以实测结构模态参数为目标对典型藏式结构的有限元模型中部分不确定因素—梁及雀替的等效变截面梁高、材料密度及弹性模量进行修正,得到更接近真实状态的有限元模型。该模型对该典型藏式结构的损伤识别、可靠度评估具有重要意义。     

Fast modal response method for structures

Regardless of their simplicity, all structures have an infinite number of degrees-of-freedom (d.o.f.) when subjected to dynamic loading. The usual finite element method reduces the infinite d.o.f. system to a model with a limited d.o.f. while capturing the significant physical behaviour. The modal analysis reduces the number of d.o.f. further to a limited number of modal co-ordinates. However, accurate results comparable to the original finite element model may not be possible unless higher modes are included. The present paper is to recommend a response analysis which makes use of both the natural modes and the mass and stiffness matrices of the system to improve the convergence with respect to the number of modes. While the effects of lower modes are analysed similar to the modal analysis, the effects of higher modes are included in the system matrices and the information for higher modes is not needed.     

Optimal design in vibration control of adaptive structures using a simulated annealing algorithm

Advanced reinforced composite structures incorporating piezoelectric sensors and actuators are increasingly becoming important due to the development of smart structures. These structures offer potential benefits in a wide range of engineering applications such as vibration and noise suppression, shape control and precision positioning. This paper presents a finite element formulation based on the classical laminated plate theory for laminated structures with integrated piezoelectric layers or patches, acting as sensors and actuators. The finite element model is a single layer triangular nonconforming plate/shell element with 18 degrees of freedom for the generalized displacements, and one additional electrical potential degree of freedom for each surface bonded piezoelectric element layer or patch. The control is initialized through a previous optimization of the core of the laminated structure, in order to minimize the vibration amplitude and maximize the first natural frequency. Also the optimization of the patches position is performed to maximize the piezoelectric actuators efficiency. The simulated annealing algorithm is used for these purposes. To achieve a mechanism of active control of the structure dynamic response, a feedback control algorithm is used, coupling the sensor and active piezoelectric layers or patches, and to calculate the dynamic response of the laminated structures the Newmark method is considered. The model is applied in the optimization of an illustrative adaptive laminated plate case. The influence of the position and number of piezoelectric patches, as well as the control gain, are investigated and the results are presented and discussed.