工况模态分析在低频振荡辨识中的应用初探

工况模态分析是结构动力学工程模态辨识的前沿课题,初步探讨了这一概念应用于电力系统低频振荡特性在线辨识的可能性。论述了电力系统低频振荡和一般振动力学数学模型的相似性,利用随机子空间算法辨识低频振荡的频率、阻尼和振型。随机子空间算法无须人工激励电力系统,利用日常负荷的随机波动激励系统,通过相量测量单元(PMU)采集发电机功角摇摆轨迹数据,识别电力系统振荡特征参数。在Matlab仿真平台上,通过对一个3机电力系统的实例分析,证明所提方法对振荡频率、阻尼比和振型识别的有效性。

工况模态分析的EMD方法

EMD(EmpiricalModeDecomposition)算法 1995年由NASA海洋水波实验室提出 ,本质上是一种将时域信号按频率尺度分解的数值算法 ,对于线性时不变系统 ,它可以从时域信号中直接提取具有不同特征时间尺度的内禀模式函数(IMF ,IntrinsicModeFunction) ,分解得到的IMFs之间具有正交性 ,且分解唯一。本文以此为基础 ,将NExT(NaturalExcitationTechnique)方法推广到多点随机激励下的复模态情况 ,对多自由度线性系统实测响应信号的互相关函数进行EMD分解 ,并进而实现模态参数的辨识。

基于现代谱估计理论的工况模态分析

大型结构如涡轮发动机、桥梁和濒海建筑等通常都处于变化非常大的一种工作环境之下 ,承受某种随机的环境激励。这时就需要直接利用工况条件下的响应数据提取模态参数。根据环境激励技术 (NExT)的相关理论 ,线性结构中白噪声响应之间的相关函数与系统的脉冲响应函数具有类似的数学表达形式。本文首先将上述结论推广到复模态中 ,然后采用现代谱理论 ,运用谐波恢复的扩充的Prony方法 ,从相关函数中提取环境激励下的结构的模态参数。该方法由于对实模态和复模态进行了统一的处理 ,因而对于实模态和复模态都适用。通过仿真数值算例表明 ,该辨识方法对于环境激励下的系统辨识是合理有效的。

激励中含有谐波成分时的工况模态参数辨识

在实际工程中,工况模态分析(operational modal analysis,OMA)方法得到了广泛应用。当激励中含有谐波并且谐波频率靠近系统固有频率时,可以通过添加极点来修改传统OMA算法以提高模态辨识精度。基于自然激励技术(natural excitation technique),推导了添加极点的理论依据。当系统所受的激励中含有谐波成分时,将其响应的相关函数表示为系统受白噪声激励时响应的相关函数与一系列谐波的叠加。基于传统OMA方法进行模态参数辨识时,谐波不会改变原来系统极点的数学表达,但是当谐波频率靠近系统固有频率时会影响OMA算法对系统固有极点的拟合准确性。在谐波频率己知时,通过添加谐波造成的极点,可以有效提高OMA算法对系统固有频率和阻尼比的辨识精度。通过仿真和实验,进一步验证了所提出的理论。

声致振动下铝板的实验模态分析与参数辨识

对于大型航天器的太阳能帆板,在自由-自由悬挂条件下,由于结构本身的超低频、大位移和局部模态丰富等特点,常规的激励方式有着各种各样的缺点,如:模态识别结果置信度降低,局部模态占优,系统稳定性差等。基于这些困难,针对大型航天器的太阳能帆板的模态分析试验背景,提出一种非接触式声致振动激励方法,设计并构造了矩形铝板承受扬声器激励的实验模型和参数辨识算法,针对实测响应数据进行模态分析,并将其与传统激励方式下的模态分析结果进行对比。该结果对太阳能帆板等大型航天器的模态实验设计与参数识别具有指导意义。

倒频谱编辑法在含转子结构运行模态参数辨识中的应用

工况模态分析或称运行模态分析,通常假设结构所受载荷为白噪声,响应谱中峰值皆由结构模态导致。然而机械系统通常含有转子部件,在运行状态下测量响应中周期性谐波或其倍频响应占据主导,加剧了工况下模态参数辨识的难度。针对上述问题,该文提出了基于倒频谱编辑的工况模态参数辨识方法,识别测量响应中的谐波及其倍频响应并在参数辨识前去除其对模态参数提取的影响。所提方法适用于多谐波激励、谐波频率与结构模态频率重叠、慢变谐波等情况,通过三自由系统算例、自由边界钢梁试验和某型航空发动机试车实测数据验证了方法的可靠性。

波纹管联轴器的有限元仿真分析

为了考核波纹管联轴器在热-力共同作用下的强度和在发射频率下的刚度,首先利用在三维建模软件UG中建立了波纹管联轴器的有限元模型,然后结合有限元软件的Nastran求解器,对波纹管联轴器进行了热-应力耦合分析和工况模态有限元分析,最后通过对有限元仿真结果进行分析,得到了其力学特性。

非平稳环境激励下结构模态参数识别方法综述

在回顾时、频域环境激励下模态参数识别方法适用条件与优缺点的基础上,指出平稳白噪声常作为时、频域模态参数识别的假设条件。重点针对实际工程中某些环境激励信号表现出明显的非平稳特性,对时频分析方法以及放宽时、频域对平稳白噪声作为假设条件的模态识别方法进行了总结与讨论。

鱼洗:手―盆―水系统的试验与动力学特征分析

针对鱼洗的喷水现象,进行了较详细的动力学理论分析和实验研究。首先,对鱼洗进行了充水和无水下双耳悬挂实验模态分析,完整地得到了鱼洗的前十一阶模态频率,振型和阻尼比;其次,进行了鱼洗的手搓喷水实验,通过工况模态分析理论和算法实现,得到了喷水状态的模态参数。与实验模态分析结果的对比,得到了鱼洗喷水态的动力学特征与模态参数一致的结论;第三,进行了激振器共振实验,用激振器对盆-水系统进行固定频率的稳态激励,得到了各阶模态频率下的共振喷水现象,说明鱼洗在共振激励下可以喷水,且喷水态动力学参数也与模态参数相一致。

环境激励下脉冲响应函数与相关函数的关系

单位脉冲响应函数中包含了系统所有的动力特性参数,提取系统的单位脉冲函数或频率响应函数是获取系统动态特性参数、进行系统辨识以及对系统进行健康监测与精确控制的前提。在受环境激励的系统中,由于激励无法直接测量,导致单位脉冲响应函数无法直接获取。在自然激励技术(natural excitation technique)的基础上,基于复模态系统的多输入多输出位移响应,讨论了环境激励下系统单位脉冲响应函数与响应的相关函数之间的关系。基于实模态系统并将质量矩阵进一步假设为对角矩阵,辨识出系统所受环境激励的强度分布。根据辨识的模态参数以及环境激励的强度,由响应的相关函数重构了系统的单位脉冲响应函数。最后通过仿真进一步验证了文中的结论。

桥梁颤振气动导数在均匀流与紊流作用下的统一辨识理论研究

桥梁断面颤振气动导数的准确识别是桥梁空气动力稳定性研究的基础,一直是桥梁风工程研究领域的前沿课题。基于工况模态分析理论,本文首先导出了紊流条件下桥梁颤振气动导数辨识的完整方法;其次,将上述数据处理方式运用到由均匀流条件引起的自由衰减振动中,得出与紊流情况类似的结果。本文提出的方法能够用同样的辨识原理、同一个数据处理程序统一地对紊流和均匀流下的桥梁气动导数进行辨识;最后,利用数值仿真算例验证上述理论。

基于DIC实验的空间域信号去噪方法研究

通过二维傅里叶连续延拓联合波数域低通滤波的方法,对数字图像相关测量所得位移场进行去噪重构,通过对薄板结构的工况模态分析,验证空间域信号去噪方法的有效性。数字图像相关方法测量结果为结构表面的全场位移响应,因相机本底噪声等因素的影响,由此在位移场测量结果中引入的空间域噪声不可忽略。通过对去噪重构后的时序位移场进行互相关函数计算,使用ERA算法辨识得到薄板的前5阶模态参数,与有限元计算模态结果吻合良好。

自然激励技术在时延相关白噪声激励系统中的应用

工况模态分析(operational modal analysis,OMA)是一种只基于输出数据进行系统模态参数辨识的技术。由于系统所受激励未知,通常假设其为互不相关的白噪声。自然激励技术(natural excitation technique,NExT)正是一种基于该假设的从响应数据中提取自由衰减信号的高效方法。然而对于真实工况,系统所受激励之间互不相关的假设过于严格,例如行驶的车辆等所受激励为时间延迟相关的白噪声。针对这类情况,基于复模态系统讨论NExT理论的适用性。结果表明,NExT是否适用取决于从相关函数中截取的用来进行OMA分析的数据段的位置,当数据段位于T>ε区间内,NExT是适用的。在ε已知的情况下,可以基于NExT对系统进行工况模态分析。最后通过仿真进一步验证该结论。