动载荷识别的广义域模态模型及其精度分析研究

基于广义域模态模型提出了一种仅用系统响应输出识别动态载荷的方法。以系统中的其它点作激励点来代替常常为不可达的实际载荷作用点，通过辨识得到系统模态参数并在模态和物理两种坐标下对动态载荷作出估算，从而避免通常对系统修改结构或改变边界条件而导致的识别误差。对该模型的误差传播牧场性与识别精度分析结果表明该方法能适用于工程实际动载荷测量。     

基于双边Lanczos算法的声子晶体复模态重分析

针对声子晶体拓扑结构修改时模态计算效率低的问题,提出基于双边Lanczos算法的复模态重分析。与全分析不同,本方法利用声子晶体原始结构的模态分析结果,通过双边Lanczos算法构建投影向量矩阵,将广义特征值方程映射进子空间来压缩矩阵规模,求解方程后再利用近似模态关系得到最终解。通过对尺寸和形状发生修改的声子晶体进行分析,验证了方法所求结果具有高精度,与全分析相比缩减了约35%的计算时间,在处理拓扑修改变化量大和计算规模大的声子晶体模态分析问题上有很大潜力。     

多输入—多输出实验模态参数识别（1）：统一的数学模型

本文利用状态空间方程给出一般粘性阻尼线性振动系统的线性高阶微分多项式模型,及其所对应的离散差分模型.这个模型描述了系统多输入激励信号和多输出响应信号之间的关系.近十年来发展起来的多输入—多输出实验模态参数识别都是建立在这个模型之上的,在这个意义上,我们称之为多输入—多输出实验模态参数识别技术的统一数学模型.当考虑到测量频段外模态和测量数据中噪声的影响时,本文也给出了相应的统一数学模型.     

高超声速飞行器气动热关联换算方法研究

气动热风洞实验是地面研究和预测飞行器气动热环境的重要手段之一, 但由于风洞实验模拟能力的限制, 风洞实验的流场参数和模型的几何尺度都会与实际飞行情况存在一定的差别, 导致地面风洞实验中得到的模型表面气动加热率数据无法直接用于飞行条件下的热环境预测和热防护设计. 以往通过针对具体飞行器的试验结果进行数据拟合后外插的气动热关联换算方法指向性较强, 没有考虑到气动热的具体影响参数, 存在一定局限性, 难以外推应用于其他外形的飞行器. 为解决通过气动热风洞实验数据外推预测飞行条件下气动热的技术难题, 基于无量纲NS方程和边界层理论分析研究了影响气动热的主要参数, 并通过推导化简边界层近似解热流公式, 针对层流流态建立了气动热关联换算方法, 可以考虑当地边界层外缘参数的影响, 具有一定通用性. 在此基础上, 利用建立的方法将Reentry-F飞行器缩比模型的风洞实验数据换算到该飞行器飞行条件下的典型工况, 并与飞行测量结果进行了比较, 外推预测结果与飞行测量结果符合较好, 表明建立的关联方法可以用于气动热风洞实验数据的外推换算.      

高超声速飞行器气动热关联换算方法研究

气动热风洞实验是地面研究和预测飞行器气动热环境的重要手段之一,但由于风洞实验模拟能力的限制,风洞实验的流场参数和模型的几何尺度都会与实际飞行情况存在一定的差别,导致地面风洞实验中得到的模型表面气动加热率数据无法直接用于飞行条件下的热环境预测和热防护设计.以往通过针对具体飞行器的试验结果进行数据拟合后外插的气动热关联换算方法指向性较强,没有考虑到气动热的具体影响参数,存在一定局限性,难以外推应用于其他外形的飞行器.为解决通过气动热风洞实验数据外推预测飞行条件下气动热的技术难题,基于无量纲NS方程和边界层理论分析研究了影响气动热的主要参数,并通过推导化简边界层近似解热流公式,针对层流流态建立了气动热关联换算方法,可以考虑当地边界层外缘参数的影响,具有一定通用性.在此基础上,利用建立的方法将Reentry-F飞行器缩比模型的风洞实验数据换算到该飞行器飞行条件下的典型工况,并与飞行测量结果进行了比较,外推预测结果与飞行测量结果符合较好,表明建立的关联方法可以用于气动热风洞实验数据的外推换算.     

结构动力学模型中阻尼特性参数的修正

将结构分析计算的稳态位移响应和相应实测数据的差异映射为具有能量意义的误差范数，通过最小化该误差范数来修正与结构系统有关的阻尼特性参数．通过计算的或实测的频响函数获得稳态响应数据，使用的幅值在理论上完全包含了所有的复模态信息，参数值正过程采用迭代的方式．给出仿真算例，并对实验数据有噪声和无噪声两种情况进行了研究，结果表明方法合理且可行．     

根部柔性梁的不确定性建模与确认

首先导出了包含根部挠性参数的悬臂梁动力学方程近似解,将平动和转动柔性参数作为不确定性源,根据若干预紧力矩下的模态实验结果完成了柔性参数识别,并假定其服从正态随机分布,识别了均值与标准差,进而通过回归分析建立了不确定参数随预紧力矩变化的数学模型.最后通过新的模态实验结果对所建模型进行了确认,通过确认结果,明确了该模型的使用范围.     

基于无迹卡尔曼滤波的高层建筑风荷载反演

基于无迹卡尔曼滤波提出了一种高层建筑风荷载的反演算法，该方法利用有限测量楼层的风致响应数据，实时识别结构的未知风荷载和风致响应。通过典型高层建筑的风洞试验进行风荷载反演实例分析，验证了该方法的准确性和适用性，评估了模态参数误差、测量噪声水平对风荷载反演的影响。研究结果表明，文中提出的算法对模态参数误差不敏感，在一定噪声水平下反演的结果基本能够满足实际工程需要，该算法为实时评估高层建筑的风荷载和风致响应提供了有效的工具。     

环境随机激励下斜拉桥的模态分析

文章首先给出了利用环境随机激励实际工程结构输出响应自功率谱间接识别柔性结构模态参数的方法,并运用它对一斜拉桥现场测试结果进行了分析。然后建立了三维有限单元模型,得到了该桥自振频率和振型的理论值。脉动实验测得的结构自振频率和振型与用三维有限单元模型得到的理论值的对比发现,绝大部分模态吻合得较好,特别是竖向振型     

一种改良Kalman滤波参数辨识粗对准方法

针对传统基于g信息的粗对准的捷联惯导系统中,受传感器噪声的影响,存在效视运动无法提取和双向量共线的缺点,提出了一种基于改良Kalman滤波的参数辨识粗对准方法。该方法通过构建视在重力在初始载体系中的映射模型,利用改良Kalman滤波进行模型参数辨识,然后通过识别参数重新构建视在重力在初始载体系中的映射,解决了由于传感器噪声导致有效视运动无法正常提取的缺点。利用识别参数具有随估计次数增多得到优化的特点,构造初始时刻和最终时刻向量,避免双向量共线问题。利用改良Kalman滤波算法的自适应特点,优化参数识别精度与速度。转台实验表明,采用改良Kalman滤波方法航向对准精度为-0.0414°,标准差为0.041°,而传统RLS方法得到的航向精度为-0.0738°,标准差为0.128°。由此可知,本文提出的方法性能更优。     

结构动力模型修正方法的比较研究及评估

在实际工程中,由结构动力模型得到的计算值与通过试验获得的测量值间往往存在偏差,为了能够精确预测结构的动力响应,依据测量信息修正存在的动力模型是非常必要的.对现有几种有效的用于结构动力模型修正的理论方法(包括基于敏感性分析的矩阵型法、基于神经网络算法的参数型法和基于遗传优化算法的方法)做了详细的综述;介绍了这些方法的步骤和研究进展;并分析了这些动力模型修正方法在工程运用中存在的一些实际问题,如不完整的模态测量值、模型修正的鲁棒性、模型修正的计算效率和收敛性等.最后,通过对一实际的五层钢框架的动力模型修正,比较了这几种方法的优缺点,提出了今后需要解决的问题.      

Research on the iterative method for model updating based on the frequency response function

Model reduction technique is usually employed in model updating process.In this paper,a new model updating method named as cross-model cross-frequency response function(CMCF) method is proposed and a new iterative method associating the model updating method with the model reduction technique is investigated.The new model updating method utilizes the frequency response function to avoid the modal analysis process and it does not need to pair or scale the measured and the analytical frequency response function,which could greatly increase the number of the equations and the updating parameters.Based on the traditional iterative method,a correction term related to the errors resulting from the replacement of the reduction matrix of the experimental model with that of the finite element model is added in the new iterative method.Comparisons between the traditional iterative method and the proposed iterative method are shown by model updating examples of solar panels,and both of these two iterative methods combine the CMCF method and the succession-level approximate reduction technique.Results show the effectiveness of the CMCF method and the proposed iterative method.     

Detection and description of non-linear phenomena in experimental modal analysis via linearity plots

Ground vibration tests (GVTs) on aircraft prototypes are mainly performed to experimentally identify the structural dynamic behaviour in terms of a modal model. This assumes a linear dynamic behaviour of the structure. However, in the practice of ground vibration testing it is often observed that structures do not behave in a perfectly linear manner. Non-linearities can be determined, for example, by free play in junctions, hydraulic systems in control surfaces, or friction. This paper compiles measured, typical, non-linear phenomena from various GVTs on large aircraft. The standard procedure in GVTs nowadays is the application of the Harmonic Balance method which linearizes the dynamic behaviour on the level of excitation. The procedure requires a harmonic excitation of the structure which is usually performed during phase resonance testing. The non-linear behaviour is investigated in terms of linearity plots in which the resonance frequency of a mode is plotted as a function of the excitation level. The experimental data is then compatible with all post-processing procedures for the measured results, e.g. updating of the finite element model or flutter calculations. This paper shows measured linearity plots for some typical non-linear phenomena. In the second part of the paper analytical linearity plots for different non-linear stiffness and damping models are considered in order to investigate whether the type of non-linearity can be identified from measured linearity plots. The analytical linearity plots are discussed with respect to their application limits. The analytical linearity plots are used to interpret the experimental linearity plots stemming from various GVTs on different aircraft prototypes. Finally, the observability of non-linear stiffness and non-linear damping characteristics via linearity plots is assessed.     

遗传-粒子群算法模型修正

用部分测量模态数据对5层钢架结构进行模型修正,将遗传算法、粒子群优化算法、 遗传-粒子群组合算法3种算法在该模型修正过程中的效率和精度进行比较,结果表明修正后 模型的全部四阶频率和振型都能在不同程度上向目标值靠近,证明3种算法都能够有效修正 模型,而且遗传-粒子群算法能在前期利用遗传算法进行高效全局搜索,后期利用粒子群算法 进行细致局部搜索,与单独使用遗传算法或粒子群算法相比,组合算法效率和精度更高.     

结构动力模型修正方法研究进展

叙述了结构动力模型修正方法的一般原理及与其密切相关的模型缩聚和模态扩展方法, 并且挑选其中具有代表性的文献, 介绍和比较了3种主要的修正方法, 即传统的动力模型修 正方法, 包括矩阵型修正方法和参数型修正方法, 和最近兴起的基于神经网络的模型修正方 法, 重点分析了这些方法的优点和不足之处, 力图能使读者对于这一研究领域的发展有一个 脉络清晰的了解. 最后, 就目前研究中尚未解决的问题作了一些探讨.     

基于SGMD及LWOA-ELM的有限元模型修正

为得到待修正参数与结构响应之间的关系,提高模型修正的效率和精度,提出了一种基于辛几何模态分解(SGMD)和Lévy飞行鲸鱼优化算法(LWOA)优化极限学习机(ELM)的有限元模型修正(FEMU)方法。首先,对加速度频响函数(AFRF)进行SGMD分解,采用能量熵增量法确定重组辛几何分量(SGC)构成SGC矩阵。然后,利用LWOA对ELM的权值和阈值进行优化,提高ELM模型的预测效率,以LWOA-ELM为代理模型映射出待修正参数与SGC矩阵之间的关系。最后,以试验频响函数SGC矩阵与LWOA-ELM模型输出所得矩阵差值的F-范数最小为目标函数,结合LWOA求解待修正参数。算例分析表明,提出的方法用于有限元模型修正有较好的可行性和有效性。以SGC矩阵表征AFRF的修正方法,有较好的噪声鲁棒性;LWOA-ELM作为代理模型预测精度高,泛化能力强。     

Constrained Substructure Model Updating Method Based on Local Mode

针对局部子结构为修正对象的情况提出了约束子结构修正法,实现只利用整体结构模态中对 应子结构部分的模态即可以修正子结构模型. 由脉冲响应结合特征系统实现法识别出子结构的低阶模态; 结合识别的模态和整体结构理论模型的高阶模态构造整体结构对应子结构位置的柔度矩 阵;利用柔度矩阵的物理意义,在子结构的边界上施加数值支座,把子结构从整体结构 中隔离出来成为约束子结构,同时构造出约束子结构的柔度矩阵;利用灵敏度的方法根 据构造出的约束子结构柔度矩阵,优化修正约束子结构,即间接等效地修正子结构模型. 通过一个平面桁架结构验证了约束子结构模型修正法的可行性与有效性,即使在5%或 10%的噪声影响下,仍能得到满意的修正结果. 关键词 模型修正,柔度矩阵,约束子结构,灵敏度,修正单元力     

基于贝叶斯方法的模态参数识别的不确定度分析

振动模态分析和模态参数识别是动态测试的一个重要研究方向。模态参数在模型的修正、响应的预测、系统的健康检测及控制等方面有着重要的作用。但动态测试的不确定度分析,尤其是模态参数的不确定度的研究还十分缺乏。本文主要基于贝叶斯方法,通过傅立叶变换(FFT)建立时域数据和频域数据之间的对应关系。根据共振频带内的多个模态的响应数据得到相对应的模态参数,优化得到模态参数的最佳估计值,评定模态参数识别的不确定度。在固支梁的模态实验中,加速度传感器采集环境激励中的振动数据,运用贝叶斯法进行处理得到模态参数的最佳估计值。在此基础上,通过模态参数的最佳估计值,以及仪器的检定报告数据,结合合成不确度分析方法,系统分析了模态参数识别的不确定度。     

A Network Model for Diffusion in Media with Partially Resolvable Pore Space Characteristics

A microstructure-informed meso-scale model for diffusion of foreign species in porous media is proposed. The model is intended for media where the pore geometry data acquired experimentally represent a fraction of total porosity. A cellular complex, with a cell representing the average pore neighbourhood, is used to generate 3D graphs of sites at cell centres and bonds between neighbouring cells. The novel interpretation of pore systems as graphs allows for clear separation between topology (here connectedness) and physics (here diffusion) in the mathematical formulation of transport. Further, it allows for easy introduction of dynamics into the system, i.e., local changes in topology due to other physical mechanisms, such as micro-cracking or blockage of pores. A mapping between microstructure features and graph elements is used for model construction. The mapping is based on data for clays, where the experimentally resolved pore system comprises isolated elongated pores of preferred orientation with a large volume fraction of unresolved pores. Both the resolved and the “hidden” systems are accounted for. The graph geometry is described by a principal length, the cell size in the preferred orientation, and a secondary length, the cell size out of preferred orientation. This is considered as a representation of mineralogical heterogeneity of clays. Analysis on graphs, a specialisation of the discrete exterior calculus, is used to obtain connectivity and diffusivity properties of formed networks. Since the experimental data are not sufficient to determine the principal length, upper and lower limits are determined from the limited information. Effects of the principal cell size between limits and of the secondary cell size are studied. The results are within the range of experimentally measured macroscopic (bulk) diffusivity for the material studied, including anisotropic diffusion coefficients. The variation of calculated diffusivity coefficients with principal and secondary lengths provides an explanation for the variability in experimentally measured coefficients across different clays.     

Nonlinear modal coupling in a T-shaped piezoelectric resonator induced by stiffness hardening effect

The nonlinear modal coupling in a T-shaped piezoelectric resonator, when the former two natural frequencies are away from 1:2, is studied. Experimentally sweeping up the exciting frequency shows that the horizontal beam exhibits a nonlinear hardening behavior. The first primary resonance of the vertical beam, owing to modal coupling, exhibits an abrupt amplitude increase, namely the Hopf bifurcation. The frequency comb phenomenon induced by modal coupling is measured experimentally. A Duffing-Mathieu coupled model is theoretically introduced to derive the conditions of the modal coupling and frequency comb phenomenon. The results demonstrate that the modal coupling results from nonlinear stiffness hardening and is strictly dependent on the loading range and sweeping form of the driving voltage and the frequency of the piezoelectric patches.