環境激勵模態參數識別概述

1 結構模態參數識別

結構模態參數識別屬于動力學的反問題,是利用外部激勵和系統的響應求解系統的參數問題;這一過程亦稱為模態分析(Modal Analysis)。模態分析又分為兩大類:一類是利用相關儀器設備,測試結構在已知激勵下的動力響應,并根據結構動力學理論識別結構的模態參數,這種方法稱之為試驗模態分析(Experimental ModalAnalysis, EMA);另一類是利用有限元軟件建立結構的有限元模型,通過分析得到結構的理論模態參數,稱之為理論模態分析(Analytical Modal Analysis, AMA)。橋梁結構的模態分析中,通常是這兩類方法并用,通過理論和試驗共同確定橋梁的模態參數。目前常用于橋梁結構理論模態分析的有限元軟件包括ANSYS、ABAQUS、ALGOR以及Midas Civil等軟件,其關鍵是在于準確的模擬實際的結構;通過理論模態分析,可以了解結構的理論模態,為模態試驗的測點布置提供依據。通過橋梁試驗模態分析,可了解結構實際振動特性,并反饋給有限元模型,使其更好的代表實際結構行為。根據試驗過程中是否利用專門的激勵設備,橋梁試驗模態分析又可以分為兩類:傳統的試驗模態分析以及環境激勵試驗模態分析。傳統試驗模態分析是利用專門的激勵設備,測試結構在激勵設備下的響應,并利用激勵和響應求解結構的頻響函數,進而確定結構的模態參數。常用的激勵設備包括力錘、液壓伺服激振器、正弦波激振器、釋放吊重等。根據激勵點和結構響應測點數量的不同,傳統模態分析又分為單點激勵單點輸出(Single Input Single Output, SISO)、單點激勵多點輸出(Single Input Multi Output, SIMO)以及多點激勵多點輸出(Multi Input MultiOutput, MIMO)。環境激勵模態分析是指不使用專門的激勵設備,而是測試環境荷載作用下橋梁結構的響應,僅利用輸出響應識別橋梁的模態參數的方法。這里,環境荷載主要包括隨機荷載、人群荷載、車輛荷載和一些不可測的噪聲。由于環境激勵模態分析是僅利用輸出響應的參數識別方法,且不中斷正常交通,因此又稱為僅利用輸出響應模態分析(Output-Only Modal Analysis, OOMA)或工作模態分析(Operational Modal Analysis, OMA)。圖3-1給出了橋梁結構模態分析分類示意圖。

2 環境激勵模態參數識別的優勢

環境激勵下橋梁模態參數近年來得到了長足的發展,從試驗的方法、測試的設備到后續的參數識別理論,在各種工程實踐中得以應用。相比較傳統的模態參數識別方法,環境激勵模態參數識別有如下幾個優勢:

(1)傳統模態參數識別中,用于橋梁等大型土木結構的激勵設備昂貴、笨重,不便于運輸;而環境荷載相比之下則易于獲得;

(2)傳統模態參數識別中的激勵難以準確的測試或模擬;而假定環境荷載假定為白噪聲后,省去了復雜的激勵測試環節,節約了試驗時間;

(3)傳統模態試驗需要中斷交通,而環境激勵模態試驗無須中斷交通,能保障橋梁的正常運營;

(4)部分大型的激勵設備如吊鐘釋放有可能造成橋梁結構的損傷,這與實施模態試驗的初衷是不吻合的。

因此,在大型土木結構的模態分析中,環境激勵模態參數識別成為主流。而橋粱健康監測的特點也決定了傳統模態參數識別無法實施,只能利用環境激勵模態參數識別方法。

3 環境激勵模態參數識別方法

近年來,環境激勵模態參數識別方法在土木、機械、航空航天等多個領域得到了深入的研究,形成了一系列的研究成果。國外關于環境激勵模態參數識別的研究可以追溯到20世紀60年代;1973年,Ibrahim提出了一種利用時域響應識別結構模態參數識別方法,后經發展形成著名的ITD法(Ibrahim Time Domain);同年,Cole在航天飛機結構試驗時提出一種用于提取結構自由振動響應的隨機減量法(Random Decrement Technique, RDT), RDT可以與多種方法結合識別結構的模態參數;1991年,Van Overschee P和De Moor B提出了子空間方法,并詳細論述了隨機子空間識別、確定性子空間識別的理論;1999年,Peeters B和DeRocek G提出了參考點的隨機子空間方法,使得隨機子空間的計算效率大大提高;2000年,在18屆國際模態分析大會上,Brincker提出了模態參數識別的頻域分解法(Frequency Domain Decomposition, FDD);同年,J N Yang 提出了一 種利用Hilbert-Huang變換的線性結構模態參數識別方法;2001年,Lardis J提出了滑動自回歸平均模型(Auto Regressive Moving Average, ARMA)用于識別結構的模態參數;2002年,Lardis J將小波變換應用于模態參數識別中;2007年,ReyndersE提出了參考點的混合子空間模態參數識別方法。國內關于環境激勵模態參數識別的成果大多集中在2000年以后。2002年,華宏星等人研究了非平穩激勵下線性結構模態參數識別問題;同年,陳隻和徐幼麟[□' 研究了基于EMD和Hilbert變換的模態參數識別,并成功應用于青馬橋的模態分析;2005年,禹丹江和任偉新提出了一種基于經驗模態分解和隨機子空間方法的模態參數識別方法;2006年,徐士代對隨機子空間方法進行了改進,提高了其計算效率,同時在其博士論文中還提出了一種跨功率譜的模態參數識別方法;2008年,王學敏和黃方林提出了基于HHT的時變模態參數識別方法;2009年,何啟源在其博士論文中提出一種二進濾波的EMD方法,并應用于模態參數識別。

石顯：環境激勵橋梁模態參數識別—常用環境激勵模態參數識別方法?zhuanlan.zhihu.com石顯：環境激勵橋梁模態參數識別—互功率譜法模態參數識別?zhuanlan.zhihu.com石顯：環境激勵橋梁模態參數識別—隨機子空間法模態參數識別?zhuanlan.zhihu.com石顯：環境激勵模態參數識別—存在的問題?zhuanlan.zhihu.com

總結上述的環境激勵模態參數識別方法,按照信號處理的作用域可分為三大類:頻域法、時域法和時頻分析法。頻域法是以傅里葉變換穩態譜分析為基礎,代表性的方法有峰值拾取法、頻域分解法;時域法直接作用時域響應數據,通過構建狀態方程識別系統矩陣進而識別模態參數,其優點是不需要對響應進行FFT變換,不存在頻域分辨率的問題,而且時域法的理論體系完整,代表性的方法有隨機子空間識別、ARMA法、ITD、隨機減量法、NExT法等;時頻分析法是對信號進行時域和頻域聯合分析,是信號在時域和頻域都具有良好的分辨率;時頻分析法是近年來的研究熱點,代表性的方法是小波變換和Hilbert-Huang變換法,其對非平穩信號的適應性使其具有較好的應用前景;同時,時頻分析可以對識別結構時變非線性模態參數。

《來源科技文獻，經本人分析整理，以技術會友，廣交天下朋友》

總結

以上是生活随笔為你收集整理的多元经验模态分解_环境激励桥梁模态参数识别—环境激励模态参数识别概述的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。