土木工程结构模态参数识别-理论,实现与应用
环境激励下模态参数识别方法研究
模态参数是指结构动力特性的基本参数,是描述结构动力特性的基本概念,包括固有频率、阻尼比、振型等。
结构模态参数的准确识别,是进行结构健康监测及故障诊断的重要基础,直接关系到结构安全,因此,开展结构模态参数识别技术研究具有重要的理论意义与工程实用价值。
近年来,利用环境激励已大量应用于土木工程的结构动力特性测试中。
环境激励测试能够在结构的实际工作状态下进行,更真实地了解结构的动力特性和结构性能。
本文将对各种模态识别方法进行分类汇总、论述,并对环境激励下模态参数识别算法有待进一步研究的问题进行了展望。
1频域识别算法1.1峰值拾取法基于结构的频响函数在其固有频率位置处会出现峰值的特征,可以实现对结构的模态参数识别。
由于环境激励下无法得到结构的频响函数,用功率谱密度函数代替结构的频响函数实现模态参数的识别,功率谱由实测的随机振动信号快速傅立叶变化转化得到。
姜蕾蕾[1]将幂指数窗应用于多种结构中,并与其他五种窗函数对比研究,确定能够有效改善傅立叶变换后频谱的质量,从而提高峰值拾取法的频率和阻尼比识别精度,拓宽峰值拾取法对阻尼比的适用范围。
陈涛[2]将测点传递率函数矩阵的第2阶奇异值倒数的均值为模态指示函数,建立基于多参考测点平均的峰值拾取法,准确识别系统的模态频率及振型。
在实际应用中,该方法只需计算少量的局部极值点,识别速度快,适用性广泛,被大量使用在实测实验中。
但由于峰值拾取法对峰值的选择较为敏感,对于峰值存在干扰或者峰值较小的信号,可能导致参数提取不准确,并且输出结果可能受到峰值选择的主观性影响,存在一定的不确定性。
因此,在使用时需要综合考虑实际需求和信号特征,选择合适的峰值。
1.2频域分解法频域分解法是峰值拾取法的优化算法,基本原理是根据振动响应构建谱函数矩阵,通过奇异值分解,将多自由度系统转换为单自由度体系,依靠峰值法选取特征频率,进而对系统进行识别。
频域分解法在20世纪80年代由Prevosto[3]所提出。
土木工程结构模态参数识别共3篇
土木工程结构模态参数识别共3篇土木工程结构模态参数识别1土木工程结构模态参数识别是一项重要的任务,其作用在于通过对结构的振动特性进行分析,为结构的安全性评估和预防维修工作提供重要依据。
一般而言,土木工程结构的共振频率和振型对结构的完整性和刚度等特征具有较高的敏感性。
因此,通过对这些参数进行定量测量和分析,可以有效评估结构的健康状况,及时发现潜在的问题,并采取相应的修复措施。
土木工程结构模态参数识别通常通过振动测试和模型分析两方面进行。
在振动测试中,一般采用动力激励法或自然激励法进行,即通过给结构施加外部力或自然环境因素产生的激励,观测结构的振动响应,然后根据测得的频响函数和振型分析结构的模态参数。
值得注意的是,这种方法的结果还受到结构在振动过程中是否存在阻尼的影响。
如果结构内阻尼较大,振动传递的能量将更容易受到耗散,振动响应频率将更低,导致模态参数识别结果的误差增大。
在模型分析方面,通常采用有限元法或模态实验法进行,即将结构抽象成一个由很多小单元组成的模型,将结构振动分解为各个子单元之间的振动,从而得到结构的振动特性。
这种方法主要用于分析结构的内部应力和位移分布等详细特征,对结构的诊断和监测也具有重要意义。
实际土木工程结构模态参数识别过程中,一般需要先对结构进行可靠性评估和姿态测量,此外还需要事先选择好测试激励器和传感器的类型和位置,控制测量误差的产生,保证数据的准确性和可靠性。
同时要注意对结构振动行为的分析和解释,尽可能从结构的实际使用情况出发,对测得的振动特征进行挖掘,从中获取有用的信息。
最后要给出科学合理的结论和建议,针对测得的模态参数,提出相应的修复和维修方案,以确保结构的安全稳定运行。
总之,土木工程结构模态参数识别是一项复杂而重要的任务,对保障结构的安全和可靠运行起着至关重要的作用。
通过振动测试和模型分析两种方法的综合应用,可以获得更加准确和全面的结构振动特性信息,为结构的保养和维修提供有力的技术支持。
国内土木工程中的TMD应用研究【论文】
国内土木工程中的TMD应用研究摘要:简要介绍了TMD的发展历程和基本工作原理,对国内近两年对TMD在结构创新、参数分析和工程应用等几个方面的研究成果分别进行了介绍,总结TMD研究过程中的主要方向,并为TMD在桥梁方面的进一步研究提出几点建议。
关键词:振动控制,TMD,被动控制,动力特性引言调谐质量阻尼器(TunedMassDamper,TMD),是一种结构形式简单,工作性能稳定的被动耗能装置,目前已经被广泛应用于土木工程中的减振与抗震领域。
近年来,大数据科学与计算机性能迅速发展,建筑和桥梁结构中非线性问题的解决取得一定进展;同时,空间结构理论的发展与高强材料的进一步升级,使得设计方案可以向更高耸,更大跨方向发展,而柔性结构在风和其他荷载作用下的振动则成为亟待解决的问题。
TMD作为比较成熟的技术,可以为结构提供更好的减振与抗震性能,并仍有不断改进的潜力。
1TMD的原理与应用案例TMD作为一个附加系统安装在主结构上,形成耦合系统,可以对系统整体动力特性进行微调,从而改善抗震性能。
早在1909年,Frahm为德国邮船设计的动力吸振器即为TMD 前身。
该结构由质量块和弹簧两部分组成,通过质量块的振动将主结构能量转移,而弹簧对主结构施加的作用力与惯性力相反,可以明显减弱结构振动。
在动力吸振器的基础上添加一个独立阻尼单元即成为传统TMD,阻尼单元通过集中耗能极大提高了对振动的抑制作用。
在TMD的设计阶段,通过调整质量和刚度,可以使TMD频率接近主结构固有频率以达到最佳减振效果。
DenHartog等人在研究中,发现TMD 参数变化时,主结构的动力响应曲线上存在不动点,以此引出关于最优阻尼比和最优频率比的研究。
理论上,TMD为主结构的一个附加质量,其质量增加对减振效果有明显增强,但受限于结构承重能力与布置空间,TMD与主结构的质量比一般不超过5%。
TMD作为被动控制措施,不需要外部供能即可对主结构特定频率的振动进行有效控制;TMD与主结构的结构和功能相互独立,在安装和后期养护时基本不会影响主结构;另外,相对其他主动控制措施的经济性使其得以广泛应用于工程领域。
结构健康监测中的几个基本问题及其进展
任 伟 新 博士
中南大学土木建筑学院
“长江学者奖励计划”特聘教授 桥梁与隧道工程博士生导师
结构健康监测基本概念
• 随着结构分析理论、施工技术、材料性能的迅速 发展,结构跨度越来越大,结构越来越柔,不仅 要求精确严密的计算与施工技术,而且对结构建 成后的安全运营提出了更高的要求;
• 自 90 年代开始,提出了旨在保证结构安全、耐 久的“结构健康监测”的概念,并在一些建成和 在建的跨江、跨海大型桥梁和大型结构上,安装 了和待安装结构长期健康状态监测系统,投资动 辄在千万元以上。
结构健康监测的一般过程
• 在一个较长时间段内通过一些传感器对系统 的响应进行采集; • 从这些响应信号中提取出对结构损伤比较敏 感的特征;
• 对这些特征进行(统计)分析,确定结构目 前的健康状况;
• 剩余寿命分析。
结构健康监测系统的组成
• 高性能智能传感元件、无线传感网络与信号采 集系统,数据挖掘,多参量、多传感元件监测 数据智能处理与数据动态管理方法,结构实时 损伤识别、定位与模型修正,结构实时健康诊 断、安全预警与可靠性预测。 • 一个长期监测的结构相当于长期试验的结构, 而且是足尺的、现场长期试验的结构,其监测 结果对于研究和把握结构损伤演化规律、灾变 行为和安全状态具有重要的科学与现实意义。
1、工作模态参数识别
Problems with Civil Engineering Structures
• It is extremely difficult to realize the excitation on a large-scale structure. Some heavy forced excitations become very expensive.
基于连续小波变换的时变结构瞬时模态参数识别
基于连续小波变换的时变结构瞬时模态参数识别赵丽洁; 刘瑾; 杜永峰; 李万润【期刊名称】《《地震工程学报》》【年(卷),期】2019(041)003【总页数】6页(P601-606)【关键词】连续小波变换; 时变结构; 参数识别; 瞬时模态参数; 随机冲击激励【作者】赵丽洁; 刘瑾; 杜永峰; 李万润【作者单位】[1]河北工程大学土木工程学院河北邯郸056038; [2]兰州理工大学防震减灾研究所甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TB120 引言一些工程结构在不同的外部荷载、工作条件影响下,结构参数如质量、刚度在运行或服役期间往往表现出很强时变性,形成时变结构系统,且结构动力特性随时间发生改变[1-2]。
结构模态参数是结构动力特性的具体体现,模态参数识别一直是结构健康监测领域的关键问题,掌握其时变规律对研究和把握结构损伤演化规律、动力灾变行为及安全状态具有重要的科学与现实意义。
有关时变结构参数识别问题的研究,其识别方法主要是引入振动控制、信号处理等领域的一些识别方法。
如,状态空间类模型[3]、时间序列类模型[4]、扩展卡尔曼类滤波算法[5]等时域内的识别方法以及备受关注的HHT[6]、小波变换等时频域的识别方法。
小波分析作为一种现代时频分析工具,具有很强的时频定位能力,在结构参数识别乃至健康监测领域具有巨大的潜力和应用价值。
早在20世纪80年代,国外学者就开始采用小波分析进行时不变结构参数识别、损伤识别等方面的研究[7-9]。
近几年,为解决时变工程结构参数识别问题,基于小波分析的时变结构模态参数识别逐渐引起学者们的关注,并取得了不少研究成果[10-13]。
本文基于连续小波变换的模态参数识别算法,在慢时变结构假定条件下,提出一种时变结构瞬时模态参数识别方法。
首先,阐明连续小波变化的模态参数识别理论,定义一种随机冲击的激励作为结构输入。
然后,通过三自由度时变结构体系的分析算例验证所提方法的正确性。
模态参数识别原理
模态参数识别原理
模态参数识别是一种结构动力学分析技术,它是通过对结构系统进行激励和响应的测量,来估计结构系统的振动特性。
模态参数识别的目的是确定结构体系的固有频率、阻尼和振动模态(模态形状),这些参数可以用来评估结构的稳定性、安全性和可靠性。
模态参数识别的原理是通过结构系统的振动响应,采用最小二乘法、奇异值分解法、支持向量机、神经网络等数学方法,来计算结构系统的固有频率、阻尼和振动模态。
在实际应用中,结构系统的振动响应可以通过传感器、激励器和信号分析仪等设备来获取,这些设备可以分别安装在结构系统的不同位置,通过测量响应信号的时程和频谱特征,来计算结构系统的模态参数。
模态参数识别的应用领域非常广泛,包括工程结构的监测、损伤诊断、结构优化设计等方面。
在实际应用中,由于结构系统的复杂性和多变性,模态参数识别存在一定的难度和挑战,因此需要结合实际情况选用合适的方法和技术,来保证识别结果的准确性和可靠性。
基于HVD和RDT的工作模态识别
基于HVD和RDT的工作模态识别涂文戈;邹小兵【摘要】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.%An operational modal parameter identification method for structures under ambient excitations based on Hilbert vibration decomposition (HVD) and random decrement technique (RDT) is proposed. Operational modal frequencies and damping ratios are identified by the least squares method with free-vibration decay signals which are obtained by RDT from modal signal components and extracted by HVD from dynamic response signals of structures under ambient excitation. Operational modal parameters of both a 5-dofs shearing model and a reinforced concrete 12-story frame experimental structure are identified by the proposed method,and are compared with other identifying methods. Results show that the modal frequencies identified are reliable, the damping ratios for stationary response signals have high degree of accuracy, and the non-stationary response signals have acceptable degree of accuracy.【期刊名称】《广西大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2018(043)001【总页数】9页(P132-140)【关键词】模态参数识别;希尔伯特振动分解;同步解调;随机减量;最小二乘复指数法【作者】涂文戈;邹小兵【作者单位】湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082;湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TB122;TU311.3环境激励下结构的工作模态参数识别是国内外研究的热点之一[1-2]。
工程结构在环境激励下的模态参数识别方法研究
工程结构在环境激励下的模态参数识别方法研究作者:段旻王黎来源:《城市建设理论研究》2013年第15期摘要:模态参数识别对于大型工程结构的健康检测、损伤识别、主动控制等工程应用具有重要意义。
大型工程结构本身难以进行人为激励,通常只能针对环境激励下大型工程结构的响应进行模态参数识别,这类方法无需施加人为激励,仅对输出信号进行分析,在时域内或频域内识别其模态参数,具有理论上的可信度和工程应用上的可行性,在工程界获得广泛使用。
对目前已有的环境激励下工程结构模态参数识别方法进行分析总结,指出各种方法的适用范围和不足,并指出解决方向为工程实践提供指导。
关键词:工程结构,模态分析,环境激励,参数识别,HHT中图分类号:TU3 文献标识码: A 文章编号:引言随着结构体系、建筑材料、设计和施工技术的进步和建筑观念的更新,建筑高度和空间结构的跨度均逐渐增大,工程结构呈现出轻质量、高柔度和低阻尼等特性。
这类建筑结构在地震、台风等自然灾害作用下动力响应非常显著,且对结构自身的模态参数(包括频率,阻尼等)异常敏感,错误的模态参数估计可能使得结构响应估算产生较大误差,从而为结构设计带来工程隐患,大型土木结构一旦出现事故,所带来的生命和财产损失将是巨大的,因此结构模态参数识别成为结构工程设计面临的重要问题。
有必要对大型复杂空间结构的模态参数进行准确识别,评估其设计安全性,并为结构安全运营提供科技保证。
大型工程结构由于体积庞大、材料复杂、约束条件多等因素,难以对其进行人为激励和对激励信号进行有效测量,因此,传统的基于输入输出信号识别结构模态参数的理论和技术在大型工程结构中难以适用。
环境激励(风荷载、地震荷载、车辆激励等)下的结构模态参数识别方法,无需施加人为激励,仅对输出信号进行分析从而识别结构模态参数,具有理论上的可信度和工程应用上的可行性,因此该方法成为目前工程界通用的方法。
本文结合前人的工作,对环境激励下的模态识别方法进行归纳和总结,并对今后的相关研究方向提出了一些有益的建议,为工程设计人员提供有效参考。
模态分析的应用及它的试验模态分析
模态分析的应用及它的试验模态分析模态分析是一种通过分析系统的模态特性来预测和改善系统性能的方法。
它可以应用于各种领域,包括机械工程、土木工程、航空航天工程、电力系统等。
在机械工程中,模态分析可以帮助设计人员了解结构的振动特性,以及在不同条件下结构的自然频率和振型。
这对于避免共振现象、减少结构疲劳和保证结构稳定性非常重要。
模态分析还可以用来优化设计,改善结构的刚度和减轻结构的重量。
在土木工程中,模态分析可以用来评估建筑物、桥梁和其他结构的振动响应。
通过模态分析,可以确定结构的临界风速、车辆通过时的振动响应等,以确保结构的安全性和使用寿命。
在航空航天工程中,模态分析可以帮助设计人员了解飞机、火箭等飞行器的自由振动特性。
通过模态分析,可以确定飞行器的固有振动频率和振动模态,并优化设计以减少结构的振动响应和降低噪音。
在电力系统中,模态分析可以用来评估系统的稳定性和动态响应。
通过模态分析,可以确定系统中存在的低频振荡模态,以及可能导致系统瓦解的致命模态。
这有助于设计人员优化系统的控制策略和改善系统的稳定性。
试验模态分析是通过实验测量来获取结构的模态参数,以进行模态分析的方法。
试验模态分析通常分为激励法和反馈法两种方法。
在激励法中,实验过程中对结构施加激励信号,并通过测量系统的响应信号来获取结构的模态参数。
常用的激励信号包括冲击信号和正弦信号。
通过分析结构响应信号的频谱特性,可以确定结构的自然频率和阻尼比。
在反馈法中,通过测量系统的响应信号,然后根据经验公式或模态参数识别算法,反推出结构的模态参数。
反馈法不需要对结构进行外部激励,因此更加方便实用,但也存在一定的理论假设和误差。
试验模态分析可以用于实际结构的模态识别和评估,因为它可以直接测量结构的实际响应,避免了理论模态分析中的近似和假设。
然而,试验模态分析需要在实际工程环境中进行,受到环境噪声、传感器布置等因素的影响,所以需要合理设计实验方案和选择适当的仪器设备。
基于希尔伯特变换结构模态参数识别
基于希尔伯特变换结构模态参数识别范兴超;纪国宜【摘要】应用HHT方法对GARTEUR飞机模型模态参数进行识别,通过采用多通带滤波器对信号进行滤波,较好的解决模态混叠问题,采用NExT法对信号预处理,由EMD分解获得较准确的各阶固有模态函数分量(IMF),在EMD分解中使用镜像延拓方法对极值点进行处理来抑制端点效应,然后将分解得到的IMF分量进行希尔伯特变换并结合ITD法识别出各阶固有频率和阻尼比。
最后对悬臂梁进行数值仿真模拟,并将模态参数识别结果和理论值进行对比,并运用此方法进一步识别GARTEUR飞机模型固有模态参数。
%The HHT method is applied to the modal parameter identification of GARTEUR plane model. The multi-channel filter is applied to process the signal for solving the problem of modal aliasing. Meanwhile, the NExT method is adopted to get more accurate individual-order intrinsic mode functions (IMF) form the EMD decomposition. The mirror continuation method is applied to process extreme value points for suppressing the endpoint effect. Then, the natural frequency of each order and the damping ratio are identified with Hilbert transform and ITD method. The numerical simulation of a cantilever beam is carried out and the simulation results are compared with the theoretical results. Finally, the intrinsic modal parameters of the GARTEUR plane model are recognized with this method.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】5页(P52-56)【关键词】振动与波;模态参数识别;Hilbert-Huang变换;模态阻尼比;镜像延拓【作者】范兴超;纪国宜【作者单位】南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,南京210016;南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,南京 210016【正文语种】中文【中图分类】O241.82Hilbert-Huang变换[1](HHT)是1998年美国华裔科学家Huang提出的一种新的数据处理方法,该方法已应用到地球物理学领域,并取得较好的效果,其主要是由经验模态分解(Empirical Mode Decomposition)和Hilbert变换(Hilbert Transform)两个部分组成,其主要思想是EMD分解[5]。
运用小波分析方法进行结构模态参数识别
傅里 叶变换 的实 质是 把 波形 分 解成 许 多不 同频 率 正 弦波 的叠加 , 是傅 里 叶级数 在 连续 情 况下 的推广 , 函 数 ) R) ∈L ( 的傅 里 叶变 换 为 :
线分析等问题 ; ②时域方法 : 是直接利用响应的时域信 号进行模 态 参 数 识别 。与 频域 法 相 比 , 域 法 对 于 分 时 离 密集模 态有 更好 的效果 ; 小波 分 析法 J 比短 时傅 ③ :
在高层建筑抗震 、 抗风 、 健康监测及损伤诊断等研 究 中, 构模 态参数 是非 常重 要 的设 计 参数 之 一 , 于 结 基 环境激励 的 模 态 参 数 识 别 方 法 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视 _ 。 目前 国内外在结 构模 态参 数 识别 方 面 的研 究 方 1 J
一
— =P 为窗 的短时 傅里 叶变换 可定 义为 : 一
2 、 毡 ,
r∞
S ,)= J ( e
tg( — d )。t )t
() 2
随着 的变化 , t ) g ( — 确定 的时 间窗 在整个 实轴 上移动 , 这样就可以对不同时段的信号逐段进行分析, S ,) ( 就大致反映了在 时刻, 频率为 的信号的相 对含 量 。o越小 的 情况 下 , 斯 函数 的时 间精 度 越 高 , 高 用作 短时傅 里 叶变换 的时 间窗越小 , 频率 精度越 低 。 设 ()∈L ( ( R) 示 平 方 可积 的实 数 空 t R) L ( 表
基于vmd的建筑结构模态参数识别
振动与冲击 JOURNALOFVOBRATOONANDSHOCK
Vol. 39 No. 1 2020
基于VMD的建筑结构模态参数识别
孙猛猛S郅伦海2&3
(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉430070; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥230009; 3.湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201)
扌商要:在建筑结构的健康监测、控制和状态评估中经常遇到的一个关键性问题是如何根据实测响应信号准确估
计结构阻尼比及自振频率等模态参数。基于变分模态分解(VMD)提出一种新的结构模态参数识别方法。该方法首先对
实测振动信号进行VMD分解,获得单模态信号,然后采用自然环境激励技术(NEXT)得到单模态信号的自由衰减响应,
3. Schoo eo oC eeEngBnee eng, Hunan Un eeesiyooScenceand Technoeogy, Xangian 411201 , ChBna)
Abstract: A key issue in health momW/ng, control and condition vsasm/l of brnlding st/cturvs is correctly esiomaiongiheoemodaepaeameieesonceudongsieuciueaedampongeaioos, naiueaeoeequencoes, eic. based on measueed response signals. Hera,a new st/ctural modal parametmc identification approach was proposed based on va/ational mode decomposition (VMD) . With the proposed method, a measured vibration signal was decomposed using VMD — obtain various modal signals. Then,free decay response of each mode was obtained using NEXT technique. Fintly, the direct inte/olation ( DI) method and the cume Owing one were used to estimate vaoous modes' natural frequencies and damping ratios. The nume/cal simulation for a 3-s—y frame st/ctura was employed to verify the coo/tnas and reliability of the proposed method. The measured accoWration response data of CIEIB Plazo in Guangzhou under Typhoon Damrey were analyzed using the proposed approach. The estimated st/ctural modal parameters were compared with those obtained using other recognition methods to further ve/fy the cormctnas and oliabifty of the proposed method.
结构模态识别
激励方式
力锤
模拟正常交通车辆
斜拉桥自由振动测试
Problems with Civil Engineering Structures
• It is extremely difficult to realize the excitation on a large-scale structure. Some heavy forced excitations become very expensive.
给结构系统的识别带来很大
There have been several ambient vibration SI techniques available that were developed by different investigators or for different uses such as:
• Traffic has to be shut down for a rather long time. This could be a serious problem for intensively used bridges.
• The need to identify modal models under operational conditions often arises for the on-line monitoring.
存在的问题
远还不能够说是一个已经完全解决了的课题;
数据减缩、方程求解法和矩阵运算的顺序等;
大型复杂工程结构系统识别算法和计算机GUI 实现 ;
在全尺寸实际结构的应用方面 ;
Frequency-Domain SI Techniques
• Based on the fact that FRFs goes through an extreme around the natural frequencies.
实验模态分析方法与应用概论
实验模态分析方法与应用概论引言:实验模态分析是一种用于研究结构动力学特性的方法,通过实验测量和数据分析,可以确定结构的固有频率、阻尼比以及模态形态等参数。
实验模态分析方法包括模态参数识别、模态不确定度评估和模型修正三个步骤。
本文将介绍实验模态分析方法的基本原理和常用应用。
一、实验模态分析方法的基本原理1.1模态分析的基本思想1.2模态参数识别在模态参数识别过程中,需要选择合适的激励信号和测量点位置,通过对结构的振动响应信号进行分析,得到结构的固有频率、阻尼比和模态振型等参数。
常用的模态参数识别方法包括傅里叶变换法、自相关法、互谱法和最小二乘法等。
1.3模态形态绘制在模态形态绘制过程中,通常需要在结构上布置加速度传感器或激光测振仪等测量设备,测量结构的振动响应信号。
然后,通过信号处理和数据分析技术,将实际测量的振动响应数据转化为结构的模态振型,并绘制成图像。
二、实验模态分析方法的应用2.1结构健康监测实验模态分析方法可以用于结构健康监测,通过定期对结构进行振动测试和模态分析,可以及时发现结构的损伤和变形等问题,为结构的维护和修复提供参考。
例如,在桥梁结构的健康监测中,可以通过模态分析方法来确定桥梁的固有频率和模态形态,从而判断桥梁的结构安全状况。
2.2结构参数识别实验模态分析方法还可以用于结构参数的识别。
通过对结构在不同工况下的振动响应信号进行测量和分析,可以确定结构的质量、刚度和阻尼等参数。
例如,在机械系统中,可以通过模态分析方法来识别机械系统的转子和轴系的质量和刚度参数,从而评估系统的性能和可靠性。
2.3结构优化设计实验模态分析方法还可以用于结构的优化设计。
通过对不同结构参数和材料的改变进行模态分析和比较,可以评估结构的动力特性,并选择最佳的设计方案。
例如,在汽车工程中,可以通过模态分析方法来优化汽车底盘的结构,提高汽车的悬挂系统和减震器的性能。
总结:实验模态分析方法是一种研究结构动力学特性的重要手段,通过实验测量和数据分析,可以确定结构的固有频率、阻尼比和模态振型等参数。
结构动力学分析中的模态参数辨识研究
结构动力学分析中的模态参数辨识研究随着人们对结构物监测和安全性能要求的不断提高,结构动力学分析和结构参数辨识技术也得到了越来越广泛的关注和应用。
其中,模态参数辨识是结构动力学分析中的重要内容之一。
本文将从模态参数的概念、辨识方法、影响因素等方面,对结构动力学分析中的模态参数辨识研究进行探讨。
一、模态参数的概念在结构动力学分析中,模态是指结构在自由振动状态下不同振型的表现形式。
模态参数则是描述这些自由振动状态下的结构参数,包括自然频率、阻尼比和振型形态等。
在结构动力学分析中,模态参数的辨识是评估结构振动特性的关键所在,对于结构物的安全性能分析、结构控制等方面,具有十分重要的作用。
二、模态参数的辨识方法目前,模态参数的辨识方法主要有基于频域分析和基于时域分析两大类。
其中,基于频域分析的方法主要是通过对结构在连续激励下的振动信号进行傅里叶变换,并在频率域内对信号进行处理,得到结构的频率响应函数和振型形态,再通过反演方法得到结构的模态参数。
这种方法由于精度高,且处理效率较高,因此在结构动力学辨识中得到了广泛的应用。
另一种方法则是基于时域分析。
该方法主要是通过对结构振动过程的时域信号进行处理,得到结构的冲击响应函数和相关系数,进而得到结构的模态参数。
这种方法主要用于复杂结构物的辨识分析,如大跨度桥梁等。
三、影响模态参数辨识的因素结构动力学分析中,模态参数的辨识精度直接影响到结构物的振动特性分析,因此,模态参数辨识的精度是一个关键的问题。
影响模态参数辨识精度的因素主要包括以下几个方面:1.激励源和响应传感器的位置;2.连续激励信号的频率范围和幅值;3.测量环境的噪声和干扰情况。
以上因素会对信号的采集和处理产生重要影响,因此在模态参数的辨识过程中需要针对性地考虑这些因素,提高信号的质量,进而提高模态参数的辨识精度。
四、结语总的来看,模态参数辨识是结构动力学分析中的一项重要内容,具有广泛的应用价值。
随着技术的不断发展,相关研究也日益深入,模态参数辨识分析的精度和效率得到了进一步提高。
浅析结构模态分析及工程应用
浅析结构模态分析及工程应用作者:王政来源:《科学与财富》2018年第29期摘要:结构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,每一阶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的方法取得,这个计算或试验分析过程称为结构模态分析。
关键词:结构模态分析;工程应用一、结构模态分析的意义结构动力学研究的是了解和评价各种运行特性的过程。
无论我们所关心的问题是卫星发射器还是悬挂式桥梁,动力响应是持续运行并得到满意的运行状态的基础。
对于通过结构实验获得的数据所进行的模态分析,向我们提供了结构响应的明确描述,它可以用来对设计规范作出评价。
还可以使我们构造出一个强有力的工具——模态模型,利用该模型我们可以研究结构修改的效果,或预测结构在改变的工况下将具有的运行特性。
二、结构模态分析的步骤在各种各样的结构模态分析方法中,大致可分为四个基本过程:1.动态数据采集及脉冲响应函数分析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、瞬态激励等。
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。
由于采用的识别方法不同,也分为频域建模和时域建模。
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。
基于盲源分离的结构模态参数识别
由于源信号 矢 量 和 混 合 矩 阵 的 先验 知 识 未 知 , 只 有 观测信 号 的信 息可 以利 用 , 无 任何 前 提假设 , 若 盲源 分 离 问题 就会 多 解 , 以需要 对 源 信 号 和 混合 矩 阵做 所
矢 量 () t 中得到 , s t =Wx t 。 即 () ( )
1 2 基本 假定 .
第 二步再从 分离 出来 频率 和模 态 阻尼 。这 种两 步法 识别结 构的模态 参数 带来 两 个 问题 : 一 , 第 只能应
R ( ) =E{ () f }= 0 tx ()
基金项 目:国家 自然科 学 基金 ( 07 0 1 ; 育 部博 士 点专 项 基 金 55 8 1 ) 教
( 0 504 1 ) 助 项 目 20 0 00 3 资 收稿 日期 :20 08—0 2 修 改 稿 收 到 日期 :09— 3— 3 9— 5 2 0 0 0 第 ~ 作 者 张 晓丹 男 , 士生 ,9 0年 生 博 18
量 ( ) 假定 由下式 生成 : t ∈R
( )=Hs t t ( )+l t ,) ( () 1
于模 态参 数 识 别 已取 得 一 定 的成 果 _ 。但 目前 , 4 盲
源 分离技术 在结构模 态参 数识 别 中 的应用 基 本分 为两 步, 首先应 用盲 源 分 离技 术 将 被测 的结 构 输 出分解 成 各 阶的模 态响 应 , 成结 构 动 力 响应 从 物 理 空 间 到模 完 态空间 的转换 , 这种转 换 的 同时确 定 了结 构 的振 型 ; 在
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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。
主要功能包括环境振动实测数据的前处理、模态参数识别、振型的动画显示和图形结果的输出等等,适合土木工程结构的特点。
多种不同模态参数识别方法的应用,可以互相校核,确保了识别结果的可靠性,这一点对环境振动仅有输出信号的模态参数识别尤其重要。
4.详细介绍了福建青洲闽江斜拉桥和江西吉安阳明钢管混凝土拱桥的环境振动试验,用频域峰值法和时域随机子空间方法识别出了桥梁的模态参数,并与有限元计算结果进行比较,吻合良好。
实践表明:仅用桥梁环境激励响应信号足以识别出频率密集分布在低频0-1.0Hz范围内的主要模态参数(频率、阻尼和振型),得到满意的结果。
借助本文提出的平均正则化稳定图,可以更准确地识别出模态参数,剔除虚假模态。
5.通过理论分析、数值模拟和实例验证,对时域随机子空间识别算法中的随机白噪声激励假定进行了讨论,分析了随机子空间方法用于非白噪声激励时的条件及其应用于土木工程结构的适应性。
对于非白噪声激励,如果该随机非白噪声激励由某一线性时变整形滤波器或者称为某一模拟系统得到,仍然可以用随机子空间方法进行模态参数识别,能准确的得到系统的模态参数。
将时域随机子空间方法推广应用于非白噪声激励,对土木工程结构的模态参数识别具有重要的实际意义。
6.提出了基于经验模式分解(EMD)的随机子空间识别方法,并成功应用到实桥环境振动实测信号的处理和模态参数识别。
EMD是一种新的信号分解处理技术,使分解的基本模式分量仅为结构的某一阶固有模态,减少其它阶结构模态频率分量的影响。
经过经验模式分解以后的信号数据,可以有效改善随机子空间方法的稳定图,也可以有效降低虚假频率和噪音的影响,使得随机子空间识别过程更加清晰简洁。
关键词:环境激励,模态参数识别,随机子空间方法,土木工程结构,经验模式分解Modal Parameter Identification of Civil Engineering Structures-Theory, Implementation and ApplicationsAbstractThe study on modal parameter identification of civil engineering structures-theory, implementation and application is support by the Natural Science Foundation of China (NSFC), under grant number 50378021.Civil engineering structures are important part of national infrastructures that are directly related to people’s daily life. It is required to understand their dynamic properties during the inspection, assessment and health monitoring of civil engineering structures. Structural modal parameters reflect the dynamic properties that can be obtained by either traditional or ambient vibration identification techniques. Dynamic testing of civil engineering structures under ambient vibration excitation has many advantages, such as no excitation equipment needed, no interruption of structural service conditions and less test time, which is more close to the real working conditions of civil engineering structures. As only output is measured and real input remains unknown in terms of ambient vibration testing, the modal parameter identification will therefore need to base itself on output-only data. The output-only modal parameter identification is different from traditional one that is based on both input and output data and is now very active and challenging research topic in the system identification of engineering structures. The state-of-the-art studies are carried out in this thesis on the modal parameter identification of civil engineering structures under operational conditions. The research is focused on theory, algorithm, implementation and real case applications of peak-picking method in frequency-domain and stochastic subspace identification in time-domain. The main work and conclusions include as follows:1.The frequency domain methods of structural modal parameter identification underambient excitations are comprehensively discussed in the thesis. More focus is on the theory and algorithm of pick-peaking (PP) and frequency domain decomposition (FDD) methods. To improve the peak-picking method, the phase angles of transfer functions are proposed to help to select the correct peaks from the average normal power spectrum densities so that the picked peaks are more accurate and objective.The frequency domain decomposition method is basically the singular value decomposition based peak picking technique. It makes the picked peak more objectiveand can identify the closed-space modes. The frequency domain decomposition method is now the advanced modal parameter identification method in frequency-domain.2.The theoretical background and algorithms of both covariance-driven and data-drivenstochastic subspace identification (SSI) are studied. The average normalized stabilization diagram algorithm based on stabilization diagram is presented in the thesis. The proposed algorithm can help identifying the modal parameters automatically and is more suitable to the measurements of large-scale civil engineering structures where the measurements are normally divided into several setups. It is demonstrated that both covariance-driven and data-driven stochastic subspace identification techniques can effectively identify the structural modal parameters. Theoretically, the data-driven stochastic subspace identification is more stable and accurate than covariance-driven stochastic subspace identification, but it needs much computing time. In addition, the different weighted methods on the decomposed matrix are compared with the help of numerical examples.3. A VC based modal analysis software for civil engineering structures-MACES isdeveloped where the algorithms of peak picking method in frequency-domain and stochastic subspace identification in time-domain are implemented. The graphical user interface (GUI) software includes the data pre-processing, parameter identification and post-processing that fit well with the particular features of civil engineering structures. With this software, the whole process of modal parameter identification for real structures can be carried out easily and effectively. It is suggested that peak picking method in frequency-domain and stochastic subspace identification in time-domain can be used complementarily.4.As real applications, the field ambient vibration tests of Qingzhou cable-stayed bridgeand Jian concrete filled steel tubular arch bridge are described in detail. The modal parameters of both bridges have been identified by peak picking method in frequency-domain and stochastic subspace identification in time-domain. The identified results from ambient vibration measurements agree well with those calculated from finite element method. It is demonstrated that the ambient vibration response measurements are sufficient enough to identify the most significant modes of large span cable-stayed bridges, in despite of the rather low level of ambient vibration signal captured, the low range (0-1.0Hz) of natural frequencies of interest,and the relatively dense modes of vibration in that range. With the help of the average normalized stabilization proposed in the thesis, the fake modes can be deleted and modal parameters can be identified accurately.5.The stochastic subspace identification (SSI) algorithm is an advanced technique toperform such an operational modal analysis. However, a white noise assumption of inputs is compulsory, which may limit the SSI application to real civil engineering structures. The white noise assumption is discussed in the thesis in terms of theoretical analysis, numerical simulation and real case verification. It is illustrated that the stochastic subspace identification can be still validated if the non white noise is generated from a linear and time-invariant shaping filter (a simulated structure).Loosening the white noise assumption of inputs in the stochastic subspace identification is extremely important for the modal parameter identification of civil engineering structures.6. A newly developed signal processing technique, empirical mode decomposition(EMD), is capable of dealing with non-stationary signals. An EMD-based stochastic subspace identification from operational vibration measurements is presented in the thesis. The output only measurements are first decomposed into the modal response functions by using the EMD technique with the specified intermittency frequencies.The stochastic subspace identification method is then applied to the decomposed signals to identify the modal parameters. A case study of the operational measurements from a real bridge is presented to illustrate the applicability of the present technique. It is demonstrated that the stable pole in the stabilization diagrams becomes sole and the vibration characteristics are easily identified for the decomposed signals ignoring the influence of other modal components and fake frequencies due to unwanted noise.Key words: Ambient vibration, Modal parameter identification, Stochastic subspace identification, Civil engineering structures, Empirical mode decomposition目录中文摘要 (I)Abstract (III)目录 (VI)第一章绪论................................................................................错误!未定义书签。