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飞机地面振动试验激振方案优化与工程验证

航空工程进展 2024年

作者：陈浩宇王彬文宋巧治李晓东强度与结构完整性全国重点实验室中国飞机强度研究所航空声学与振动航空科技重点实验室

地面振动试验是飞机型号研制与强度验证中的重要环节，在试验设计阶段一个合理的激振方案能够显著缩短后续试验周期，提升模态辨识精度。基于飞机有限元模型采用QR分解对激振位置进行考虑试验目标的全局规划，进而引入模态参与对激振点... 详细信息

地面振动试验是飞机型号研制与强度验证中的重要环节，在试验设计阶段一个合理的激振方案能够显著缩短后续试验周期，提升模态辨识精度。基于飞机有限元模型采用QR分解对激振位置进行考虑试验目标的全局规划，进而引入模态参与对激振点布置方案的激振效率进行定量评估，同时针对密集模态测试问题，采用多变量模态指示函数对激励力矢量进行优化，并将上述方法应于小型通用飞机地面振动试验中，验证了优化后激振位置规划方案及密集模态识别方法的工程应用效果。结果表明：本文采用的激振方案优化方法能够显著提升试验效率，降低了密集模态辨识难度，具有较高的工程应用价值。

关键词：地面振动试验激振力矢量 QR分解模态参与模态识别

基于MEEMD与MP的电网低频振荡模态识别

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智慧电力 2022年第4期50卷 89-95页

作者：张程刘佳静蔡思静林谷青匡宇福建工程学院电子电气与物理学院福建福州350118 智能电网仿真分析与综合控制福建省高校工程研究中心福建福州350118

针对目前电力系统低频振荡模态辨识的精确性和抗干扰性问题,提出了一种基于改进集合经验模态分解方法与矩阵束的电网低频振荡模态特征辨识新方法。首先利用改进集合经验模态分解方法将采集到的量测信号分解,从而获得若干个IMF分量序列... 详细信息

针对目前电力系统低频振荡模态辨识的精确性和抗干扰性问题,提出了一种基于改进集合经验模态分解方法与矩阵束的电网低频振荡模态特征辨识新方法。首先利用改进集合经验模态分解方法将采集到的量测信号分解,从而获得若干个IMF分量序列及其残余量,再将剩余项去除后把其余本征模态函数进行重构,最后把重构信号通过矩阵束的分析来获知各个振荡模式信息。数值信号和EPRI-36节点系统的仿真验证了所提方法的有效性。

关键词：低频振荡 MEEMD 矩阵束排列熵模态识别

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基于随机子空间法的异步实测桥梁模态识别

合肥工业大学学报（自然科学版） 2023年第3期46卷 333-340页

作者：汪涛任伟新杨栋贺文宇合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 深圳大学滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室(筹) 广东深圳518060

针对工程结构模态参数测试时,多个测点之间的时间不同步采样导致识别出的振型结果不准确问题,文章提出基于随机子空间法的异步实测桥梁模态识别方法,通过误差函数值表征不同步数据在分析过程中产生的数值误差程度,以误差函数为最小值时... 详细信息

针对工程结构模态参数测试时,多个测点之间的时间不同步采样导致识别出的振型结果不准确问题,文章提出基于随机子空间法的异步实测桥梁模态识别方法,通过误差函数值表征不同步数据在分析过程中产生的数值误差程度,以误差函数为最小值时所对应的时间作为估计的时间延迟,并以此延迟修正异步实测响应数据;利用随机子空间法对修正数据进行模态参数识别,通过有限元模拟和实验验证分别讨论模态识别时,桥梁不同测点异步采样对振型识别的影响,验证所提出的时间延迟识别方法的准确性和可行性。

关键词：时间延迟随机子空间识别模态识别模态振型异步采样

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空间网格结构动力响应扩展及模态识别

空间网格结构动力响应扩展及模态识别

作者：程润辉江西理工大学

学位级别：硕士

以网架、网壳为代表的空间网格结构在我国应用非常广泛。当前有大量的空间网格结构正在服役,且不少已经进入服役阶段后期。此类结构覆盖面积大、服务人数多,一旦发生破坏将使人民群众的生命财产遭受巨大损失。及时发现此类结构的损伤,... 详细信息

以网架、网壳为代表的空间网格结构在我国应用非常广泛。当前有大量的空间网格结构正在服役,且不少已经进入服役阶段后期。此类结构覆盖面积大、服务人数多,一旦发生破坏将使人民群众的生命财产遭受巨大损失。及时发现此类结构的损伤,对尽早消除安全隐患、保障结构安全运营具有重要意义。动力测试是结构健康监测领域常见的一种测试数据采集方法,结构损伤的识别精度高度依赖测试信息的数量。空间网格结构动辄包含数以百计的节点和杆件,识别规模非常庞大。然而,动力测试中能够布置的测点数量非常有限,远少于空间网格结构的识别规模,导致此类结构的损伤识别精度往往较低。为解决测试信息不足的问题,本文提出一种适用于空间网格结构的动力响应扩展方法,并基于扩展后的动力响应展开模态识别研究。具体工作如下所述:（1）提出一种考虑阶跃激励作用的动力响应扩展方法。阶跃激励具有输入能量大和可被主动控制的优点,非常适合空间网格结构的人工激振。动力响应扩展的基本思路为:提取阶跃激励作用下空间网格结构的动力响应,将任意时刻的响应信号近似表达为少数贡献模态的线性组合;采用有效独立法提出测点优化迭代策略,以无偏估计各个时刻的贡献模态组合系数,从而实现动力响应由少数测点向全空间自由度的扩展。进一步解释了动力响应扩展的误差机理,并提出一种加权相关系数指标来筛选高精度非测点。算例表明,本文方法能方便地实现网架结构的动力响应扩展,并筛选出较多数量的高精度非测点,有利于提高网架结构动力测试的效率。（2）提出一种基于变分模态分解-奇异值分解（VMD-SVD）降噪的方法,以便为后续模态识别工作提供高质量的动力响应数据。该降噪方法的基本思路为:以整体正交系数为目标函数,采用鲸鱼优化算法确定VMD计算所需参数K和α的最优值;执行VMD计算后,基于互相关系数和频谱曲线光滑度筛选出有效模态分量;进一步对有效模态分量进行SVD降噪,并将它们线性叠加后最终得到完成降噪的重构信号。算例表明,相比传统的EMD-SVD、EEMD-SVD两种降噪方法,本文方法的降噪效果更佳。（3）提出一种基于扩展后动力响应进行模态识别的方法。在前述动力响应扩展的基础上,将筛选出的高精度非测点与测点实测的动力响应相结合,采用经典的数据驱动随机子空间法（Data-SSI）进行模态识别。该方法实际上可以实现动力响应所包含模态的振型扩展。算例表明,经VMD-SVD降噪后的重构信号比未经降噪的响应信号更有利于提高模态参数的识别精度,并发现广义坐标幅值更大的模态具有更高的识别精度。

关键词：空间网格结构动力响应扩展阶跃激励误差分析信号处理模态识别

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基于改进EWT和SSI的高层建筑模态识别

基于改进EWT和SSI的高层建筑模态识别

作者：魏苹中南大学

学位级别：硕士

在土木工程领域中,原型建筑结构的模态参数识别能够评估结构实际情况下的动力特性,通常作为结构健康监测、振动控制和模型更新的重要工具。然而,对于环境激励下的超高层建筑而言,其振动响应通常具有振幅小,噪声水平高等特点,这给结构模... 详细信息

在土木工程领域中,原型建筑结构的模态参数识别能够评估结构实际情况下的动力特性,通常作为结构健康监测、振动控制和模型更新的重要工具。然而,对于环境激励下的超高层建筑而言,其振动响应通常具有振幅小,噪声水平高等特点,这给结构模态参数识别带来了极大的困扰。目前,环境激励下超高层建筑模态参数识别问题备受关注,已成为工程领域中的研究热点。为此,本文基于框架模型数值模拟和超高层建筑现场实测,对影响模态参数识别的一些重要因素进行了深入研究,主要工作如下:(1)针对经验小波变换(EWT)在频谱划分方面的不足,本文提出了一种改进的EWT方法。该方法利用信号傅里叶频谱的投影信息以改善噪声下的频谱表示,从而进行更合理的频谱划分。该方法的有效性通过框架模型数值模拟研究进行了验证。随后,该方法被用于环境激励下超高层建筑的现场实测应用中,并与其他改进方法进行了比较研究。结果表明该方法可以作为超高层建筑响应信号分析的有效工具。(2)针对协方差随机子空间识别(SSI-COV)方法的模型定阶问题进行了讨论。基于数值模拟研究及现场测试,本文选择了四种现有模型定阶方法(奇异值跳跃法、奇异值累积法、稳定图法和基于不确定性指标的稳定图法)进行对比分析,以评估它们在超高层建筑现场实测中的适用性。(3)将改进EWT方法、自然激励技术和希尔伯特变换结合,用于环境激励下超高层建筑的模态参数识别。随后,利用框架结构数值模型和一栋约600米的超高层建筑对所提方法进行了验证。结果表明,该方法可以作为评估环境激励下超高层建筑模态特性的有效工具。图51幅,表6个,参考文献104篇

关键词：模态识别高层建筑经验小波变换随机子空间识别方法

基于计算机视觉的桥梁结构位移监测及模态识别

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基于计算机视觉的桥梁结构位移监测及模态识别

作者：董乾坤武汉理工大学

学位级别：硕士

位移监测和模态识别是桥梁结构健康监测中的关键内容,对于桥梁结构安全性能的评估具有重要作用。针对目前传统接触式测量方法存在的传感器安装不便、成本高昂等问题,本文对基于计算机视觉的结构非接触式测量方法展开了研究,采用张氏标... 详细信息

位移监测和模态识别是桥梁结构健康监测中的关键内容,对于桥梁结构安全性能的评估具有重要作用。针对目前传统接触式测量方法存在的传感器安装不便、成本高昂等问题,本文对基于计算机视觉的结构非接触式测量方法展开了研究,采用张氏标定法和特征点匹配法作为基础算法,结合消费级相机建立结构非接触式位移测量系统,并将其应用于结构模态参的识别中。本文主要研究内容如下:(1)基于现有的文献,探讨了计算机视觉位移测量原理,在研究坐标系转换、相机标定和常见目标追踪算法原理的基础上,确定采用张氏相机标定法和加速鲁棒特征(SURF)算法作为本文研究的基础算法。(2)针对现有SURF特征匹配算法精度偏低、计算速度慢、不稳定的问题,本文提出了一种改进的目标追踪算法。首先采用亚像素SURF算法提高追踪精度;其次通过对多点进行匹配提高追踪的稳定性;最后结合核相关滤波(KCF)算法实现两步追踪的过程,预先定义一个搜索窗口并利用KCF对其进行粗定位,再使用图像分割及亚像素SURF对目标进一步精确定位。对比分析SURF、KCF及改进算法对相同视频的处理结果,结果表明本文所提出的改进算法兼具较高的速度和精度。(3)基于改进的目标追踪算法,在Open CV Python的环境下进行图像预处理、三维重构、位移计算算法程序的编写与整合,以智能手机作为采样设备搭建结构位移监测系统,并结合协方差驱动的随机子空间方法实现结构模态参数的识别。本文通过相机标定实验和对虎门大桥振动视频的处理初步验证了算法程序部分的可行性。(4)在实验室条件下进行悬臂梁和固端梁的振动实验,分别验证视觉位移监测系统的测量精度和模态参数识别精度。实验结果表明本文所搭建的视觉位移监测系统具有较高的位移测量精度,并能够很好地反映结构位移的动态变化。以系统测量得到的位移时程作为响应信号,结合模态识别方法能较好地识别结构的模态参数。本文实现了计算机视觉原理在结构位移监测和模态识别中的应用,并在实践中进行了验证,可为后续同类型研究工作提供参考。

关键词：桥梁结构位移监测模态识别计算机视觉 SURF特征匹配

旋转状态风电叶片摄像测振与模态识别技术研究

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旋转状态风电叶片摄像测振与模态识别技术研究

作者：杨景云湖南科技大学

学位级别：硕士

随着风电叶片朝大型化方向发展,作为风力机最为关键的部件之一,风电叶片旋转过程的结构健康监测对风电机组整体结构安全至关重要。而振动测量与分析是其结构健康监测的重要手段,在此背景下,本论文主要开展如下研究:文章分析了旋转状态... 详细信息

随着风电叶片朝大型化方向发展,作为风力机最为关键的部件之一,风电叶片旋转过程的结构健康监测对风电机组整体结构安全至关重要。而振动测量与分析是其结构健康监测的重要手段,在此背景下,本论文主要开展如下研究:文章分析了旋转状态风电叶片模态特性,开展了基于摄像测量的运行风电叶片动态测量实验,探讨了基于轨迹拼接和图像拼接技术的组网摄像叶片动态轨迹测量方法,结合摄像测量与信号分析技术提出了一种基于摄像测量的旋转风电叶片振动分析方法,并通过数值模拟和锤击实验验证了方法的准确性。首先,针对大尺寸叶片运行状态下受旋转软化效应和动力刚化效应耦合作用导致其模态特性改变的现象,提出一种基于摄动模态分析的旋转叶片振动分析方法。建立了0.89 m和61.5 m两型号叶片模型,通过数值模拟分析叶片在转速0-50 r/min范围,两种效应对叶片频率的影响。基于计算的频率差值f的变换规律,研究了叶片三种主要振型与两种效应之间的关系,为后续开展旋转状态下风电叶片的振动测量与模态识别提供数据支持。然后,针对运行状态风电叶片大视场测量的实际需求,设计并搭建了可调控的风电叶片旋转实验平台,分别研究了基于轨迹拼接和图像拼接技术的组网摄像测量方法。研究了四像机之间的空间坐标关系与变换统一,得到拼接轨迹的计算方法。实验结果表明,拼接后的视场比单一摄站测量的视场提高了1倍以上。同时,开展了基于图像拼接的组网摄像测量实验,基于搭建的实验平台研究了SITF、SURF等几种传统的特征检测算法与KNN、BFM等特征匹配算法对采集到的旋转叶片图像拼接效果,提出了一种基于SURF-KNN-RANSAC的风电叶片图像拼接方法,有效拼接率约80%。最后,针对风电叶片因受干扰而偏离原定测量场难以获取其动态信息的问题,结合摄像测量技术非接触的优点,提出了一种基于摄像测量的旋转风电叶片振动分析方法。采集了叶片测点空间轨迹并通过拟合圆轨迹进行了误差分析,同时基于集总平均经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)和快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)计算出叶片振动固有频率。为了验证本文提出方法的有效性,在旋转风电叶片实验平台上开展了锤击实验。结果表明,本文提出的摄像测量方法测试结果与有限元分析(Finite element analysis,FEA)和锤击实验方法的结果基本保持一致,平均误差分别为4.39%和4.23%。

关键词：旋转风电叶片摄像测量组网测量模态识别图像拼接

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地铁车辆转向架构架模态分析与载荷识别研究

地铁车辆转向架构架模态分析与载荷识别研究

作者：孙铭远北京交通大学

学位级别：硕士

地铁车辆具有载客量大,工况复杂,启停频繁等特点,随着我国的城市化进程的稳步推进,对地铁车辆关键部位的结构可靠性的要求也越来越高。转向架构架是地铁车辆中极其关键的部件,在车辆运行过程中承受着十分复杂的载荷,其疲劳可靠性对车辆... 详细信息

地铁车辆具有载客量大,工况复杂,启停频繁等特点,随着我国的城市化进程的稳步推进,对地铁车辆关键部位的结构可靠性的要求也越来越高。转向架构架是地铁车辆中极其关键的部件,在车辆运行过程中承受着十分复杂的载荷,其疲劳可靠性对车辆的运行安全起着至关重要的作用。本文以多个B型地铁转向架构架为研究对象,针对地铁构架实际运行中的模态振动以及模态频率附近的载荷幅值放大效应进行了研究。本文的主要的工作包括:(1)对多个地铁车辆转向架构架进行建模和网格划分,通过ANSYS有限元仿真软件进行自由模态和约束模态分析,得到构架的模态振型及频率,并对比不同构架之间模态参数的区别。(2)对多个地铁构架关键部位的线路实测数据,包括应力和载荷测点的信号进行时频域分析,研究不同类型的应力测点对于模态频率的响应,以及频域上的峰值与仿真得到的模态振型之间的关系。最后研究了十三种工况载荷的频域信号受到模态振动的影响。(3)为了分析不同阶模态振动对构架疲劳可靠性的影响,通过对比经过带阻滤波前后的信号计算出的等效应力的差值,得出了不同的模态频率对等效应力值的贡献。对比了不同的基于时域信号识别模态阻尼比方法的效果,使用HilbertHuang变换和自然激励技术(NExT)相结合对三个构架进行了模态阻尼比识别。(4)针对构架弹性振动引起的载荷幅值放大效应,首先基于单自由度有阻尼系统受迫振动模型确定了稳态条件下载荷幅值放大系数的表达式,并进一步提出了一种识别模态影响范围的方法。然后结合之前得到的各个构架、不同阶模态的固有频率和阻尼比,带入表达式得到了模态影响范围和载荷幅值放大系数曲线。最后使用载荷放大系数曲线对在模态频率附近被放大了的工况载荷信号进行了处理,得到了更接近真实外载的信号。本文共含图59幅,表11个,参考文献66篇。

关键词：地铁车辆模态识别动载荷转向架构架载荷幅值放大

基于FDD法的模态参数连续自动识别及频率变异性分析

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重庆交通大学学报（自然科学版） 2023年第3期42卷 7-16,25页

作者：王晓光马明高林丽党李涛长安大学公路学院陕西西安710064 中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安710075

模态参数是分析桥梁运营状态变化的重要指标,可为桥梁状态评估提供数据基础。基于频域分解法(FDD)的模态参数连续自动识别方法,分析了模态参数与环境之间的关系。采用前、后向线性均值滤波方法对奇异值曲线进行滤波处理,剔除噪声干扰引... 详细信息

模态参数是分析桥梁运营状态变化的重要指标,可为桥梁状态评估提供数据基础。基于频域分解法(FDD)的模态参数连续自动识别方法,分析了模态参数与环境之间的关系。采用前、后向线性均值滤波方法对奇异值曲线进行滤波处理,剔除噪声干扰引起的虚假毛刺峰值;提出了Dvp指标,结合波峰波谷检测算法识别得到了真实模态参数对应的奇异值峰值;引入K-means聚类法实现了奇异值曲线真实峰值的自动选取。针对实际健康监测数据存储格式,设计了模态参数连续自动识别框架,并提出了融入模态参数的自动识别算法,实现了模态参数连续、自动识别。将所提出的方法运用于斜拉桥的实测数据中,通过连续自动识别得到一个月的模态参数,分析了环境对结构频率的影响程度。研究结果表明:所提出的基于FDD的模态参数自动识别方法能够实现模态参数的自动识别;所提出的融合自动识别算法的数据自动分析框架能够实现模态参数连续、自动识别,能解决桥梁健康监测数据的连续自动分析;桥梁结构频率受环境温度影响较大,随机环境因素所引起的结构频率随机性不可忽略。

关键词：桥梁工程模态识别频域分解法连续自动识别相关性分析