结构动力响应扩展离散解析模式分解的截止频率优化选取方法

为对结构动力响应进行有效分解并获得分解后振动响应的时频特征,提出了结构振动响应分解的扩展离散解析模式分解。基于扩展的离散解析模式分解,提出了截止频率选取的优化方法。传统的截止频率选取方法往往是根据傅里叶频谱图来进行人为选取。然而,对于具有密集模态成分的结构振动响应或者信噪比低的结构环境振动响应,很难根据傅里叶频谱图来选取截止频率。为了更好地对截止频率进行自动化优化选取,提出用自回归功率谱代替传统的傅里叶谱选取截止频率的方法。为验证扩展离散解析模式分解方法的有效性,首先对一模拟的结构振动信号进行有效分解;然后,对一个具有密集模态的36层框架结构的数值模拟,利用所提自回归功率谱法,获得了具有密集模态的振动信号的截止频率,并对结构振动信号进行了有效的分解;最后,以吉安赣江公路大桥为工程实例,选取了大桥环境振动加速度实验数据,利用自回归功率谱找出了信号分解中的截止频率;进而利用扩展离散解析模式分解获得了大桥的前两阶振动响应,并识别出了大桥的前两阶振型。结果表明:扩展离散解析模式分解是解析模式分解在离散信号处的有效延展;同时,利用自回归功率谱在扩展离散解析模式分解中寻找截止频率的方法更为有效。

离散振动信号解析模式分解理论与算法研究

解析模式分解(AMD)是最近被提出的一种基于希尔伯特变换的高效和精确的信号滤波方法。利用给定的截断频率,解析模式分解能方便地将信号的慢变成分与快变成分分离开来。通过推导AMD对简谐波形的处理结果,给出了一种证明解析模式分解理论的新方法。对离散采样的工程振动信号,研究发现解析模式分解对离散信号进行计算时结果包含较大误差。通过分析离散信号解析模式分解算法的频响特性,揭示了计算产生误差的原因。进而提出了两种消除分解误差的方法:两步分解法或提高采样频率,理论分析及算例表明这两种方法都可有效消除分解误差。最后给出了不同情况下选择合适的误差消除方法的建议。

基于解析模式分解的密集工作模态参数识别

长大跨度的桥梁结构或者高层建筑的工作环境振动响应中经常包含密集的模态成分,并会出现模态叠混现象,而传统的信号分析方法往往难以识别结构的密集模态参数。提出一种基于解析模式分解理论与随机减量技术相结合的方法识别环境激励下的结构密集模态参数。对于工作环境激励下的结构振动响应,通过随机减量技术可以提取结构的自由振动响应,利用解析模式分解方法对具有密集模态的自由振动响应进行有效的分解,对每一阶自由振动响应利用最小二乘拟合方法识别出频率与阻尼比。通过两层框架的数值模拟以及对密集频率的密集程度指数和信号时程长度等参数分析,其结果表明通过随机减量技术提取的自由振动响应可以有效的减少模态叠混的影响,虽然提取的自由振动响应的时程长度比实际的信号时程要短,然而解析模式分解仍然能够十分有效的对短时程具有密集模态成分的信号进行有效的分解。最后,通过对一具有密集模态的36层框架的数值模拟,以及对一具有密集模态的3层框架的振动台实验,验证该方法可以有效的识别出环境激励下的结构密集模态参数。

基于解析模式分解和随机减量技术的桥梁模态参数识别

大跨异型桥梁模态振型耦合严重,环境振动响应频率分布密集,直接利用随机减量技术(RDT)处理这类结构环境振动响应信号时,难以从随机减量信号中识别多模态的参数。由于解析模式分解(AMD)能有效将模态密集分布的振动信号分解为一系列单模态子信号,故结合解析模式分解和随机减量技术开展大跨异型桥梁模态参数识别研究。首先,对环境振动响应信号进行解析模式分解,获得一系列单模态子信号;然后,对每个子信号进行随机减量技术处理,提取随机减量信号,克服随机减量技术处理多模态信号的缺陷;最后,采用最小二乘法按照单自由度系统自由振动函数从随机减量信号中识别模态频率和阻尼比。通过三自由度振动系统仿真分析,研究该方法的可行性,分析随机减量技术参数对模态参数识别结果的影响。采用该方法识别了一座大跨曲线主梁人行拱桥的前4阶模态的频率和阻尼比,并与随机子空间法识别结果进行对比。结果结果表明:该方法可从多模态环境振动响应中有效识别结构的频率和阻尼比;阈值常数取1.5倍信号的均方根值、随机减量信号长度取10倍模态周期能更准确地识别固有频率和阻尼比。本文提出的方法能有效识别真实结构的模态参数,识别的前3阶竖弯模态阻尼比约0.45%,可为类似桥梁的阻尼比取值提供参考。

基于解析模态分解的时变与弱非线性结构密集模态参数识别

对于时变与非线性的结构系统,由于结构模态响应信号的瞬时频率并不等同于结构本身的瞬时频率,因此推导了单自由度与多自由度体系在自由振动和受迫振动下模态响应信号的瞬时频率与结构本身瞬时频率的关系,理论结果表明,对于时变的线性结构和弱非线性结构,模态响应的瞬时频率缓慢变化的部分与结构系统的瞬时频率近似相等。通过对一杜芬系统的数值模拟和对一调整索力变化而使其频率变化的斜拉索自由振动实验,验证了理论结果的正确性。对于具有密集模态的时变与非线性的多自由度体系,提出了把解析模式分解方法扩展到时变与非线性结构的模态分解。该方法通过小波变换选取二分时变截止频率,对结构的时变模态响应进行分离,从而实现多自由度结构时变参数识别。最后,对一具有密集模态的两层框架时变系统受白噪声激励和地震激励进行数值模拟,结果表明,提出的方法能有效的分解时变系统的密集模态响应并能较好的识别出结构系统的瞬时频率。

预应力锚杆界面脱粘的非线性振动特性分析

预应力锚杆锚固段界面脱粘现象在工程中普遍存在,为检测其脱粘损伤,提出了利用非线性振动特性来进行损伤识别的方法。通过对预应力锚杆施加不同的拉力,来模拟其锚固段的不同脱粘损伤程度,并测定试验锚杆在各损伤状态下的自由振动加速度信号,然后通过解析模式分解,从加速度信号中分离出一阶振动分量,再进行积分和希尔波特变换,得到各损伤下状态下锚杆的频率与振幅的关系,分析其非线性振动特性随损伤状态的变化规律。结果表明非线性振动特性对预应力锚杆界面脱粘损伤敏感,且适用于对其进行损伤检测和长期的健康监测。

基于动力响应主分量瞬时频率和幅值的非线性模型修正

提出了一种基于动力响应主分量的瞬时频率和幅值的非线性模型修正方法。首先通过解析模式分解和希尔伯特变换提取结构动力响应主分量的瞬时频率和瞬时幅值;然后选取瞬时幅值和瞬时频率慢变部分的有限多个时间点值来反映结构的非线性特性;最后采用响应面模型,并基于试验数据和有限元模型数据之间瞬时幅值和频率的残差建立目标函数,进行结构的非线性模型修正。通过三层框架的数值模拟分析,其结果表明该方法能精确有效地修正非线性结构模型。

Hilbert低通滤波器特性分析及改进数值计算方法

针对基于Hilbert变换的零相位低通滤波器数值计算中,时域离散化带来的频域周期化影响了其低通特性的问题,提出了相应的改进方法。通过证明Hilbert低通滤波器时域解析表达式的频率响应特性,指出离散Hilbert低通滤波器的频响特性混叠了π两侧倒相的频率成分,并根据频响特性图的特征采用两级滤波结构对数值计算方法做出了改进。理论证明了改进后的滤波器能数值实现零相位低通滤波,并通过调幅信号以及调幅-调频信号的仿真算例进行了验证。应变实测信号处理实例表明,改进后滤波器能剔除动应变信号中低频的温度效应成分的影响,适合非平稳信号分析的预处理。

钢管混凝土柱的非线性振动特性分析与脱粘识别

钢管混凝土柱脱粘对结构受力性能有很大影响,脱粘检测成为研究者关注的问题。设计制作了5个不同脱粘状态的钢管混凝土悬臂柱试件,在锤击激励下记录试件表面6个测点的自由振动加速度信号。通过解析模式分解,分离出信号的一阶频率分量,再利用Hilbert变换,获得频率-振幅曲线。频率-振幅曲线表明无脱粘的钢管混凝土柱试件呈现出较强的非线性振动特性,与弱Duffing系统相似。脱粘的存在,使得试件的非线性特性减弱,脱粘面积越大,非线性系数绝对值越小。信号测点离脱粘位置越近,非线性特性越弱,非线性系数绝对值越小。非线性系数对脱粘敏感,且不易受构件制作和边界条件的影响,是识别钢管混凝土柱脱粘的良好指标。

基于改进平方检测和新型K-N互卷积窗的闪变参数检测

传统的数字式闪变仪研制主要根据IEC闪变测量原理将各环节的模拟滤波器转换为数字滤波器来实现,但数字滤波器的效果受限于采样频率和变换方法的选取。提出利用解析模式分解改进传统平方检测法的滤波环节,准确提取电压闪变包络信号,构建新型K-N互卷积窗函数,推导基于新型K-N互卷积窗三谱线插值修正算法,据此提出基于改进平方检测法和新型KN互卷积窗的闪变参数检测方法,开发基于虚拟仪器的闪变参数检测平台。仿真实验结果表明,所提算法在单一频率调制、多频率调制、电网频率波动、含有叠加谐波及噪声干扰的情况下,均能有效实现闪变参数的准确检测,相较于传统检测方法,实现简单且具有更高的准确度。

环境激励下钢板组合梁桥模态参数识别

结构模态参数识别是结构健康监测领域的重点研究问题之一,主要应用于结构损伤识别、安全评估、模型修正等多个方面。文章以一座四跨连续钢板组合梁桥为例,根据设计图纸,利用SAP2000有限元软件建立其初始有限元模型。根据健康监测系统采集得到的加速度时程数据,分别利用随机子空间方法(SSI)和基于离散解析模式分解方法(DAMD)对实际结构的频率、振型、阻尼比进行识别,并将识别结果和有限元法计算结果进行对比。研究结果表明,文章所述的两种参数识别方法对桥梁固有频率均有较好的识别效果,对于所测得的加速度响应时程较短的工况条件下,利用基于离散解析模式分解的方法相比于传统随机子空间方法可以更准确地识别出桥梁结构的阻尼比。