复杂承载钢结构模态参数识别与综合性能评价

提出了根据动力特性试验识别结构的模态参数,运用优化算法修改动力有限元模型,进而评价复杂承载钢结构练合性能的方法.针对复杂承载钢结构的结构特点和激振形式,推导了模态参数识别公式;介绍了有限元模型动力修正的一阶搜索优化算法.利用近似平稳随机激励,对井架钢结构进行了现场模态试验,识别出前三阶固有频率和前二阶振型,分析了该结构的实际运行状况.仅依据前二阶固有频率,应用一阶搜索的优化算法,对动力有限元模型进行了修正,重分析表明:该修正模型实现了前三阶固有频率和应力特征的精确反演,能够用于进一步的静、动力分析和综合性能评价.     

环形桁架结构模态实验及有限元仿真分析

针对大型可展开环形桁架天线结构开展了模态实验和有限元仿真分析。首先设计加工了环形桁架实验模型,采用锤击法对自由边界条件下环形桁架结构进行了实验模态分析,得到环形桁架结构的前六阶固有频率及其对应模态振型,并通过模态置信准则对实验结果进行了可靠性分析。其次,建立了环形桁架实验模型的有限元模型并进行模态分析,仿真得到其前六阶固有频率和模态振型。最后详细对比分析了实验结果与有限元仿真结果。结果表明:二者固有频率误差小于5%,且实验模态振型与有限元仿真模态振型一致,证明了本文分析结果真实可靠;同时,分析得到了环形桁架结构第一、二阶振型为椭圆形,第三、四阶振型为三角形,第五、六阶振型为四边形。     

铜陵长江大桥主跨的环境随机激励模态测试

随机激励法是桥梁检测研究的主要方法,检测获得的模态参数是判断判断桥梁运行状况的重要标志。本文采用自行开发的一套基于PC机的测试系统,对铜陵长江大桥主跨部分进行环境随机激励模态测试,记录了大桥主跨部分的动态过程。通过分析测试结果给出了铜陵长江大桥主跨部分垂直方向上的前五阶对称振型和第三阶反对称振动的振型以及相应的固有频率.为了验证测试结果,文中对大桥用二维有限元模型建模,用有限元软件ANSYS建立了该桥的二维有限元模型,并计算得到了桥的模态参数。结果表明,计算和测试结果吻合较好,从而验证了本文测试方法的可靠性。     

K-L法在结构模型降阶及辨识中的应用

模型辨识时，常需要对结构进行降阶处理，以减少辨识参数，降低计算难度，通过K-L(Karhunen-Loeve)特征值提取的方法对结构模型进行降阶，并通过最小二乘法辨识出降阶后系统的模态参数，可以大大减少辨识参数，降低计算复杂性；最后对一简支梁进行了数值仿真，得到一个3阶模型，辨识出简支梁的固有频率和模态阻尼比与解析解很接近。     

一类单塔斜拉桥固有频率及模态的计算与分析

采用连续体系统动力学分析方法对一类平面单塔斜拉桥的固有频率及模态进行了计算与分析。桥面两端简支,并由一个刚性的塔和两根斜拉索支撑。将桥面简化成梁的模型,建立了各斜拉索及各梁段的动力学偏微分方程、斜拉桥的边界条件及子结构间的几何与力学相容条件。推导了斜拉桥线性化、无阻尼系统的频率方程。考虑斜拉桥左右对称及参数(斜拉索长度、初始垂度)微小变动导致对称性破缺的情况,数值求解不同参数下斜拉桥的固有频率及对应的模态。结果表明:斜拉桥第3阶和第4阶固有频率相差不到0.1%,具有密集固有频率的现象;斜拉桥对称性破缺前后第3阶和第4阶固有频率随参数变化的曲线具有频率曲线偏转现象,第3阶和第4阶模态间存在模态跃迁现象。该研究结果可在斜拉桥设计和建造过程中起参考作用。     

一种有限元模型修正中的参数选择方法

有限元模型修正面临的首要问题是待修正参数的选择.目前主要是基于灵敏度分析的结果进行参数选择.本文从结构固有频率分析的能量法出发,论证了某阶固有频率主要受到同阶振型中发生弹性变形部位刚度的影响,据此提出一种待修正参数的选择方法,以振型中弹性变形为依据,选择弹性变形较大部位的参数作为待修正参数.用一个梁模型仿真验证了该方法的正确性,并将其应用于系杆拱桥的有限元模型修正中,修正后有限元计算结果与试验结果的最大误差缩小至3.3%.     

开口裂纹梁振动特性参数分析

开展仿真分析探究梁边界条件、裂纹位置、裂纹程度、梁几何尺寸对开口裂纹矩形梁振动特性的影响．采用等效刚度模型建立裂纹梁结构振动方程，并与试验比较完成验证．预报梁在简支、悬臂、固支三种边界下，在不同位置发生不同程度裂纹损伤时的固有频率．研究发现，裂纹梁固有频率特性与完好无损梁曲率模态相关．裂纹可使固有频率降低，且降低程度随损伤程度增加而愈显著．裂纹位置接近完好梁某阶曲率模态零点（无效位置）/极点时，该阶固有频率受到影响将会减弱/增强．开展悬臂裂纹梁在不同几何尺寸下曲率模态分析．研究发现，曲率模态在裂纹处发生尖角突变现象，且尖角峰值随着损伤程度的增加而增大．裂纹位置接近某阶曲率模态极点/零点时，该阶模态受裂纹影响更显著/不明显．在裂纹相对位置和损伤程度相同时，增加梁长度使裂纹处尖角峰值减小，改变梁宽度不影响曲率模态，增加梁高度可使尖角峰值增加．研究成果可为试验提供基础，为扩建数据库，探索一种在线检测方法，基于实时大数据和人工智能技术开展各项振动参数综合分析，为实现梁裂纹智能识别与定位提供依据．     

缓变主流中三维气泡的非线性振动

空化现象和水下噪声机制与液体中气泡的动力学行为密切相关．在无粘势流的假定下，采用多参数摄动分析，研究了缓变主流中三维气泡的非线性体积模态振动．推导了关于缓变泡形展开的各阶扰动方程，获得了一阶振动的演化方程和一些特殊情况下的解析解；并采用高阶有限元离散的边界积分方程方法，对平面固壁和自由面附近三维气泡的固有频率进行了数值计算     

机抖激光陀螺动力学分析及优化设计

利用有限元分析软件ANSYS,建立了机抖激光陀螺有限元模型并进行了模态分析和随机振动分析,通过与试验结果对比,验证了模型的合理性和精确性,指出了现有结构的薄弱环节。利用灵敏度分析技术分析了安装盒底部、四壁和支柱等几何尺寸和约束位置对机抖激光陀螺固有频率的影响。计算表明:影响固有频率的主要因素是安装盒的支柱高度、底面厚度和约束位置,而安装盒四壁厚度对固有频率影响很小。最后对结构进行了优化设计,优化后结构一阶固有频率提高35.7%,二阶以上固有频率提高63%以上。     

三种典型轴向运动结构的振动特性对比

轴向运动结构的横向振动一直是动力学领域的研究热点之一.目前大多数的文献只涉及对一种模型的研究,而针对几种模型的对比分析较少.本文对3种典型轴向运动结构(Euler梁、窄板和对边简支对边自由的板)的振动特性进行了对比分析.针对工程中不同的结构参数,本文为其理论研究中选择更加合理的模型提供了参考.通过复模态方法求解了3种模型的控制方程,给出了其相应的固有频率及模态函数.对于板模型,同时考虑了其自由边界的两种刚体位移以及弯扭耦合振动3种情况.通过数值算例给出了3种模型的前四阶固有频率随轴速和长宽比的变化情况,并应用微分求积法对复模态方法得到的解析解进行验证.特别采用三维图的形式分析了不同的轴速、阻尼、刚度和长宽比等参数混合时对3种模型第一阶固有频率的影响,着重研究了窄板和梁的不同的长宽比和轴速混合时对两者的第一阶固有频率的相对误差的影响.结果表明:随着轴速的增大,3种模型的固有频率逐渐减小. 窄板是板的一种简化模型.在各参数值发生变化时,阻尼对第一阶固有频率的影响最小.长宽比很大,轴速很小或为零时,复杂模型可以简化为简单模型.      

基于附加虚拟质量的结构损伤识别方法

针对大型土木结构的模态信息往往对局部损伤灵敏度较低的特点,提出通过在各个子结构上附加虚拟质量的方法提高局部灵敏度,实现整体结构的准确损伤识别。该方法无需在结构上布置真实质量,它首先利用虚拟变形法（VDM）可进行结构快速重分析的思想,由实测结构的激励和加速度响应,构造结构附加虚拟质量后虚拟结构的频率响应;然后结合灵敏度分析和附加质量与频率关系,确定所需附加质量和对应具有较高灵敏度的频率;最后分别在每个子结构上附加虚拟质量,联合所有虚拟结构和对应的频率即可准确快速地识别出整体结构各个子结构的损伤。本文通过两层平面框架有限元模型验证了附加质量损伤识别方法的有效性。     

基于波动法的框式结构功率流主动控制方法与实验研究

为了研究扰动影响下框式结构中的功率流传播与主动控制,首先采用波动方法建立了框式结构的动力学模型并获得了其在扰动下的精确动力学响应,进一步得到结构中传播的功率流,并以此为目标函数,优化得到了最优控制力的大小与相位,然后对结构施加最优控制力,实现了框式结构的功率流主动控制。对框式结构功率流主动控制方法进行了数值计算分析与实验验证。结果表明：采用波动方法计算框式结构的动力学响应精确可靠;通过数值计算与实验研究可知功率流主动控制可以明显降低框式结构全频域内的抖动,验证了基于波动方法功率流主动控制的正确性与有效性。     

基于谱元法的空间刚架动力学特性分析

以空间刚架结构为研究对象,应用谱元法研究其动力学特性,依次推导出杆、轴和铁木辛柯梁的动力学刚度阵,进而得到空间刚架的动力学刚度阵和频域响应的理论方程,拓展了谱元法应用范围。编程计算获得空间刚架的固有频率和点的谐响应曲线,与有限元分析相比较,进一步得到载荷下的瞬态响应。研究表明,谱元法在刚架结构的动力学特性分析中,比有限元方法高效高精度,更适宜解决中高频振动问题。     

Simultaneous Measurement of Plate Natural Frequencies and Vibration Mode Shapes Using ESPI

The natural frequencies and vibration mode shapes of flat plates are simultaneously measured using ESPI. The method involves measuring the surface shape of a vibrating plate at high frame rate using a modified Michelson interferometer and high-speed camera. The vibration is excited here by impact; white (random) noise could alternatively be used. Fourier analysis of the acquired data gives the natural frequencies and associated mode shapes. The analytical procedure used has the advantage that it simultaneously identifies full-field quantitative images of all vibration modes with frequencies up to half the sampling frequency. In comparison, the ESPI time-averaging and the traditional Chladni methods both require that the plate be excited at each natural frequency to allow separate qualitative measurements of the associated mode shapes. The Instrumented Hammer method and Laser Doppler Vibrometry give quantitative measurements but require sequential sampling of individual points on the test surface to provide full-field results. Example ESPI measurements are presented to illustrate the use and capabilities of the proposed plate natural frequency and mode shape measurement method.     

Numerical estimation of the influence of joint stiffness on free vibrations of frame structures via the scattering of waves at elastic joints

In the structural design of mechanical products, natural frequencies must be controlled to reduce noise and vibration. In particular, the stiffness of the joints which assemble the structural components affects the natural frequencies. Therefore, it is important to predict the influence of joint stiffness on natural frequencies. Generally, these effects are determined by iterative finite element analyses of assembled structural models. Because this results in high computational costs, the sensitivity of natural frequencies to joint stiffness should be determined by a different approach to make the structural design process more efficient. Therefore, this paper proposes the use of reflection and transmission coefficients of elastic joints to predict the dependency of natural frequencies on joint stiffness. First, we formulate the reflection and transmission coefficients of joint stiffness, and then organize the coefficients using a ray tracing method. These formulations enable us to discuss the mechanisms which determine the natural frequency of a structure based on a wave approach using the phase-closure principle. Therefore, by applying the phase-closure principle to the frame structure, we investigate the formation of bending modes, which suggests that the effects of joint stiffness on natural frequencies correspond to the dependence of the reflection and transmission coefficients on joint stiffness. Therefore, these coefficients are useful indicators for estimating the influence of joint stiffness.     

基础激励测试结构动力特性精度研究

结构动力特性决定结构在动力荷载作用下的动力响应,对结构的动力破坏与安全具有重要意义.精确测试结构动力特性参数是其研究的一个重要方面.采用基础激励的方法测试结构动力特性是一种行之有效的方法.通过实验的方法研究了基础激励测试结构动力特性的精度.实验结果表明,结构动力特性参数在实验范围内不受激励幅值大小的影响;基础激励频段范围对结构的振型影响不大,但对频率与阻尼比的影响很大;只要基础激励的频段包含所要测试的结构固有频率,就能精确测试出结构此阶的频率与阻尼比;如基础激励频段不包含所要测试的结构固有频率,则不能精确测试出结构此阶的频率与阻尼比.因此在使用基础激励方法测试结构动力特性时,应使基础激励的频段包含所要测试的结构固有频率.     

灰色系统模型在结构损伤识别中的应用

开发结构健康监测系统是结构损伤识别的一个重要课题。由于建筑结构具有很多不确定因素，通过模态分析识别结构损伤的精度很难保证。本文提出一种灰色系统模型应用于结构损伤识别的方法。建立频率变化率和刚度变化的灰色系统模型，把一阶单变量的灰色模型(M(1，1))作为频率变化率和刚度变化之间的系统，通过一阶单变量的灰色模型(M(1，1))预测来体现结构动力指纹的整体功能，确定频率变化率和刚度变化之间的关系变量。为了验证理论，对多种工况进行了框架结构模型的振动试验并对结果进行了分析。试验结果表明：对于层间剪切结构，通过测量结构频率变化，建立的灰色系统模型可以较准确地确定结构的损伤位置和损伤程度，并使识别精度得到有效提高。     

刚架结构频域子结构法的实验研究

以空间刚架为模型,对Jetmundsen频域子结构综合法进行了探索性实验,并研究了子结构的界面自由度完整性对最后综合结果的影响。实验中,频响函数矩阵中与线自由度响应和集中力输入相关的项通过加速度计与力传感器直接测量,而与转角自由度响应或纯力矩输入相关的项通过一种结合转角自由度间接测试和模态分析技术的方法获取。实验结果显示,实验子结构综合法能够有效地预报结构的动力学性能,而转角自由度的引入能在一定程度上改善预报质量。     

Effects of the local resonance in bending on the longitudinal vibrations of reticulated beams

This work investigates the dynamic behaviour of reticulated beams obtained by repeating a unit cell made up of interconnected beams or plates forming an unbraced frame. As beams are much stiffer in tension–compression than in bending, the longitudinal modes of such structures (governed by tension–compression at the macroscopic scale) can appear in the same frequency range as the bending modes of the elements. The condition of scale separation being respected for compression, the homogenization method of periodic discrete media is used to rigorously derive the macroscopic behaviour at the leading order. In the absence of bending resonance, the longitudinal vibrations of the structure are described at the macroscopic scale by the usual equation for beams in tension–compression. When there is resonance, the form of the equation is unchanged but the real mass of the structure is replaced by an effective mass which depends on the frequency. This induces an abnormal response in the neighbourhood of the natural frequencies of the resonating elements. This paper focuses on the consequences on the modal properties and the transfer function of the reticulated structure. The same macroscopic mode shape can be associated with several natural frequencies of the structure (but the deformation of the elements at the local scale is different). Moreover the vibrations are not transmitted when the effective mass is negative. These phenomena are first evidenced theoretically and then illustrated with numerical simulations.