基于稳定聚类法的风-桥耦合系统有效模态自动辨识

模态辨识是全桥气动弹性模型风洞试验的核心内容,模态等效是保证模型与实桥满足相似准则最直接和最有效的依据,简单、准确、快速的辨识模态参数对气弹模型的评价和修正具有非常重要的现实意义。文中对特征系统实现(简称ERA)及随机子空间(简称SSI)进行了算法改进,并提出基于稳定聚类法的桥梁气弹模型有效模态自动化辨识理论,稳定图通过不同系统阶次的结果对比剔除不稳定模态,谱系聚类进一步将稳定模态求极获得多阶、高精度的系统模态。通过数值仿真算例和风洞工程实例证明:该方法有较高精度和良好的适应性,能一定程度上解决阻尼辨识结果不稳定的问题。风洞试验中对于风环境激励的桥梁气弹模型,稳定聚类法是有效辨识其模态的方法之一。

基于模态频率和有效模态质量的有限元模型修正

提出一种同时使用模态频率和有效模态质量作为目标量的残差进行结构动力学有限元模型修正的新方法。有效模态质量不但可以为结构动力学分析提供一种判断振动模态重要程度的方法,而且能够为有限元模型修正提供更多的信息量。介绍了基于灵敏度分析的模型修正实现过程以及有效模态质量的概念,推导了有效模态质量对设计参数的灵敏度,在此基础上采用仿真算例验证了所提出方法的正确性和有效性。仿真结果显示所有修正参数都回到了设定的目标值,即使当模态频率和有效模态质量等特征量都存在5%的高斯白噪声时,修正后在修正频段内特征量的均方误差都小于0.4%。研究表明,基于模态频率和有效模态质量的结构动力学有限元模型修正是有效可行的。

基于有效模态质量的有限元建模

介绍一种简单的基于有效模态质量与结构质量的比值∑meff/m来判断有限元模型精确度的方法,给出了基于多自由度系统的理论证明。在通过试验验证了某空间相机及其支架各自有限元模型正确性的前提下,针对二者之间的特殊连接结构采用三种建模方式,分别计算整体结构的有效模态质量和模态频率,其中∑meff/m比值最大的模型所对应的模态频率计算值与试验值最接近,误差在5%之内。有效模态质量是判断有限元模型好坏的重要参数,该方法对一般结构的有限元建模工作有一定的借鉴作用。

基于有效模态质量的子结构主模态选择方法

根据建筑物抗震设计中有效模态质量计算的基本原理,推导了固定界面模态综合中子结构各阶主模态的模态参与因子和有效模态质量,以及总的有效模态质量的计算方法。根据各阶有效模态质量与总的有效模态质量之比,对某样车模型的子结构主模态进行截断。结果表明:在一定频率范围内,采用子结构主模态截断法,仅保留少数低阶主模态,即可使样车低频振动特性计算结果具有较高的精度。

使用有效模态质量和遗传算法的有限元模型修正

提出将模态频率和有效模态质量构造的残差作为遗传算法的目标函数进行结构动力学有限元模型修正的方法。有效模态质量不但可以为结构动力学响应分析提供一种判断模态贡献程度的方法,而且能够为有限元模型修正提供更多的信息量。介绍了有效模态质量的概念和基于遗传算法的结构动力学模型修正理论,在此基础上采用仿真算例验证了所提出方法的正确性和有效性。仿真结果显示,模型修正后参数最大误差为-0.062%,不管是在修正频段内还是修正频段外,频率和有效模态质量的均方误差都小于0.025%。研究表明,使用有效模态质量和遗传算法的结构动力学有限元模型修正是有效可行的。

获取约束边界结构有效模态质量的一种方法——广义模态约束反力法

在力限振动试验复杂TDFS方法研究中,提出了一种带约束边界结构有效模态质量的获取方法—广义模态约束反力法。针对具有约束边界的结构,从其整体分块动力学方程出发,对其进行了详细理论推导,获得由各阶模态频率及对应的广义约束反力来计算各阶有效模态质量的理论方法。最终通过一端约束的悬臂梁的有限元计算结果说明了该方法的有效性。

基于有效模态质量优选法的机载雷达随机振动分析

随着现代电子设备不断向集成化、模块化和一体化方向发展,对于振动环境异常复杂的航空航天电子设备,系统级随机振动环境可靠性分析是决定结构总体设计方案成败的重要因素。针对某机载雷达系统结构的随机振动问题,建立一套基于有效模态质量优选法的随机振动分析技术,通过对复杂系统的合理简化以及优选法相关参数的细致考评,快速有效地获取系统级的随机振动响应,分析结果可为结构总体设计方案提供理论基础和设计指导,并为插件级或元件级结构设计提供载荷输入。

湍流风速谱有效模态的POD分析法

大跨度桥梁和极端天气的出现,使得桥梁的抖振问题备受关注。然而抖振分析的最重要参数之一是风速谱,传统的抖振分析方法认为所有频率的风速会激发桥梁的抖振响应,针对此问题本文提出了基于本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition)方法对风速谱分解。以某斜拉桥为算例通过对风速谱的分解研究了其有效参与模态对桥梁抖振的贡献。研究发现并不是所有频率的风速谱会激发桥梁的抖振响应,其响应与结构的自振模态和风速谱的有效湍流参与系数有关。

减震结构基于模态阻尼耗能的附加有效阻尼比计算

快速准确估计附加有效阻尼比对于减震结构的设计过程具有提高工效意义。提出一种基于有效模态阻尼耗能概念的附加有效阻尼比计算方法,其物理意义明确,充分考虑了有效阻尼比的时变特性,且具有计算简单、精度高等优点。结合实际工程案例,对该方法计算值的精确性进行了验证,并与国家"抗规"方法进行了对比。

模态有效质量在数控管螺纹车床动态特性仿真中的应用

由于复杂结构系统的模态分析中常存在局部模态无法辨识和整体模态振型无法提取的实际问题,因此推导出了一种基于动能的模态有效参数公式,并将模态有效参数引入到数控管螺纹修复车床的床身力学特性仿真中。仿真结果证明该方法可有效识别出三个方向的局部模态,判断求解模态数目是否满足求解精度要求。为提高床身固有频率,分析床身的开孔对其动态性能影响,在此基础上提出了三种优化方案,并验证了优化方案的可行性,实现了不借助试验模态分析就能够对结构提出针对性的优化意见。

模态综合的子结构主模态截断方法

为了减少固定界面模态综合方法中保留的子结构主模态数，分别采用频率截断和有效模态质量截断两种方法进行截断，分析两种方法的适用性，最终得到适合结构低频动态特性计算的主模态截断方法．计算结果表明：频率截断法保留的主模态不到有效质模态量截断法的1／2，采用2～3倍的最高关心频率进行主模态截断，能保证结构低频动态特性计算具有较高的精度，所保留的主模态，更能反应子结构在关心频率范围内系统振动的变形模式；有效模态质量法不能判断各子结构间主模态对系统动态特性作用的相对大小，这使小尺寸高刚度的子结构保留多余的模态，其计算效率较低．

基于模态分析的印制电路板振动可靠性研究

采用有限元方法对印制电路板进行了模态分析,依据有效模态质量和模态振型分析了振动环境下配制电路板的薄弱环节.根据印制电路板的特点建立了有限元模型,通过模态分析得到了各阶固有频率与固有振型,然后利用有效模态质量找出了对系统响应影响较大的各阶模态.模态分析结果显示,该印制电路板的固有频率偏低.本文从安装方式和印制电路板材料属性方面分析了提高印制电路板固有频率的方法,通过改进设计能够有效地提高其振动可靠性.

深海波导中基于采样简正波模态降维处理的广义似然比检测

针对深海波导中的水下声源检测,结合声传播与接收特性,提出了一种基于简正波模态信息降维处理的窄带声源检测方法,运用广义似然比(generalized likelihood ratio,GLR)方法导出了深海波导中的特征值检测器和恒虚警率特征值检测器(下统称为GLR检测器).理论分析表明,给定阵列输入信噪比下,GLR检测器的输出信噪比随接收数据空间维度的减小而增大.根据简正波理论,阵列接收信号声场位于由各阶采样简正波模态信息张成的空间(简称模态空间).由于阵列孔径尺寸的限制,在深海波导中常会出现"有效模态空间"维度小于阵元域接收数据空间维度的情况.基于此性质并根据阵列采样的简正波模态信息,提取"有效模态空间"以构造降维矩阵,分别导出了使用垂直线列阵和水平线列阵时的降维GLR检测统计量.数值仿真给出了GLR检测器的检测性能分析与对比,验证了降维GLR检测器的性能改善效果,同时表明水平线列阵接收声场位于更低维的"有效模态空间","有效模态空间"维度随阵元间距和声源频率的增大而减小.

基于改进确定-随机子空间算法的桥梁结构模态参数识别

为了实现桥梁结构模态参数的智能化在线跟踪识别,提出了一种基于滑窗技术、模糊C均值聚类算法与确定-随机子空间算法的时域识别(SC-CDSI)算法。对桥梁结构的输入信号和输出信号进行加窗划分处理,分析了窗函数、窗口大小及窗口步长的确定标准;将频率、阻尼比及模态振型作为模糊C均值聚类算法的聚类元素完成对稳定图中有效模态的智能化辨识;以某振动台试验桥为参数识别对象,并将所得结果与MIDAS有限元结果作对比分析。结果表明,所提SC-CDSI识别算法可以精确实现桥梁结构频率的在线跟踪智能化识别,且识别的结果具有可靠性。

舰船尾轴架系统计算模型与模态识别技术

对某舰的尾轴架系统,分别采用梁单元和体单元两种不同的建模方法进行模拟,用大型有限元NASTRAN软件对两种模型进行振动计算.比较分析两种计算结果表明,在实际工程应用中完全可以采用简单、快捷、省时的梁单元模拟尾轴架系统进行振动计算.但是,关于尾轴架系统振型的详细分析与计算机仿真表明,计算所得的第一阶振型并不是尾轴架系统本身的首阶振型.研究中引入有效模态质量,并计算了尾轴架系统的有效模态质量.应用表明用有效模态质量进行模态识别,可以有助于找到尾轴架系统的固有频率和振型.

基于MF-EI法的水闸底板脱空参数反演

为了更好地解决水工结构以损伤诊断为目标的传感器布置问题,以软基水闸为研究对象、水闸底板脱空为损伤类型,针对传统有效独立法未考虑结构损伤信息的缺陷,将模态柔度作为结构损伤敏感特征量,并引入结构的模态柔度修正有效独立法,提出基于模态柔度-有效独立法(modal flexibility-effective independent method,简称MFEI)的水闸底板脱空参数反演方法。采用模态置信准则、Fisher信息阵、条件数准则和奇异值分解比准则4种评价指标,分别对距离系数-有效独立法(distance coefficient-effective independence method,简称DC-EI)、有效独立-总位移法(effective independence-total displacement method,简称EI-TD)和MF-EI法进行评价,并将3种方法得到的布置方案应用到不同工况下软基水闸底板脱空动力学反演中,对比分析3种方法各工况脱空参数的反演结果。结果表明:MF-EI法测得的模态矩阵具有更好的正交性、可观测性和模态扩阶性,同时保留了对软基水闸底板脱空敏感的损伤信息,3种工况下的脱空参数反演识别精度分别提高至97.5%,96.1%和75.9%,是一种较为有效的水闸底板脱空参数反演方法。

火箭结构系统纵向模态自动辨识方法

针对工程中需要从火箭结构系统的整体模态中识别纵向模态,根据模态有效质量理论,提出了一种识别火箭结构系统纵向模态的自动辨识方法.以具有集中质量系统的振动特性作为算例,通过有限元软件,建立了具有集中质量系统的梁模型,利用自动辨识的方法,自动辨识出系统的纵向模态,并与应用模态分析法所计算的系统模态信息相比较,这种自动辨识方法不仅能准确的辨识出振动系统的纵向模态,而且还具有自动高效的识别特点.为准确快速建立液体火箭POGO振动系统的动力学模型等工程系统的模型提供理论依据.

析亚里士多德：前提为必然、前提为实然的模态三段论

本文主要从亚里士多德关于—前提为必然—前提为实然的模态三段论原文出发，对其思想进行分析和整理，指出了亚里士多德主张的十三个模态有效式，并提炼出其公理化思想。在此基础上，对亚里士多德的思想加以补充，提出了第十四个模态有效式并给予证明。

辨识主梁颤振导数的三种时域方法对比研究

节段气弹模型的拉条衰减振动试验是辨识颤振导数直接且有效的途径之一,颤振导数辨识本质为附加气动刚度和气动阻尼系统的有效模态参数辨识。由于噪声的污染和算法的差异使得辨识的颤振导数误差较大,为了减小颤振导数的辨识误差,以理想平板节段模型为仿真系统,通过比较分析三种先进算法(ITD、ERA和SSI)对有效模态参数辨识的抗噪性能,研究不同算法对颤振导数辨识精度的影响,并结合风洞试验,对某特大桥主梁断面的颤振导数进行辨识。结果表明:针对非线性气动参数辨识问题,这三种方法均可靠且有效,其中ITD法对噪声的鲁棒性稍差。

铁道车辆结构模态匹配设计准则研究

提出适用于铁道车辆结构模态匹配设计的具体准则,指导车辆设计过程中各组件间或结构自身动力学特征参数设计,以减少车辆异常振动问题的发生。随着对铁道车辆的运营速度、运行品质、轻量化等要求越来越高,基于传统行业标准的静态设计方法已无法满足设计需求,大量的车辆服役数据表明即使在满足现有标准的前提下,车辆部分结构仍存在异常振动或失效问题,且振动信号多表现为谐波振动,属于模态匹配设计异常范畴。因此基于动力学理论和不同领域模态匹配设计方法,研究并给出铁道车辆结构模态匹配设计准则,并利用两个典型实例进行验证。最终建议在进行结构模态匹配设计时,需要重点关注模态有效质量(Modal effective mass,MEM)占结构弹性模态MEM总和5%以上的模态;对于考虑动力学性能的模态匹配设计,激励主频与关注模态频率差值至少为模态频率的15%,建议在20%以上;对于仅考虑结构振动疲劳的模态匹配设计,建议此数值至少为10%。