環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別概述

1 結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別

結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別屬于動(dòng)力學(xué)的反問題,是利用外部激勵(lì)和系統(tǒng)的響應(yīng)求解系統(tǒng)的參數(shù)問題;這一過程亦稱為模態(tài)分析(Modal Analysis)。模態(tài)分析又分為兩大類:一類是利用相關(guān)儀器設(shè)備,測試結(jié)構(gòu)在已知激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng),并根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù),這種方法稱之為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析(Experimental ModalAnalysis, EMA);另一類是利用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)的有限元模型,通過分析得到結(jié)構(gòu)的理論模態(tài)參數(shù),稱之為理論模態(tài)分析(Analytical Modal Analysis, AMA)。橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析中,通常是這兩類方法并用,通過理論和試驗(yàn)共同確定橋梁的模態(tài)參數(shù)。目前常用于橋梁結(jié)構(gòu)理論模態(tài)分析的有限元軟件包括ANSYS、ABAQUS、ALGOR以及Midas Civil等軟件,其關(guān)鍵是在于準(zhǔn)確的模擬實(shí)際的結(jié)構(gòu);通過理論模態(tài)分析,可以了解結(jié)構(gòu)的理論模態(tài),為模態(tài)試驗(yàn)的測點(diǎn)布置提供依據(jù)。通過橋梁試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,可了解結(jié)構(gòu)實(shí)際振動(dòng)特性,并反饋給有限元模型,使其更好的代表實(shí)際結(jié)構(gòu)行為。根據(jù)試驗(yàn)過程中是否利用專門的激勵(lì)設(shè)備,橋梁試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析又可以分為兩類:傳統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析以及環(huán)境激勵(lì)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。傳統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是利用專門的激勵(lì)設(shè)備,測試結(jié)構(gòu)在激勵(lì)設(shè)備下的響應(yīng),并利用激勵(lì)和響應(yīng)求解結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù),進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。常用的激勵(lì)設(shè)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(jù)激勵(lì)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)測點(diǎn)數(shù)量的不同,傳統(tǒng)模態(tài)分析又分為單點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)輸出(Single Input Single Output, SISO)、單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)輸出(Single Input Multi Output, SIMO)以及多點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)輸出(Multi Input MultiOutput, MIMO)。環(huán)境激勵(lì)模態(tài)分析是指不使用專門的激勵(lì)設(shè)備,而是測試環(huán)境荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng),僅利用輸出響應(yīng)識(shí)別橋梁的模態(tài)參數(shù)的方法。這里,環(huán)境荷載主要包括隨機(jī)荷載、人群荷載、車輛荷載和一些不可測的噪聲。由于環(huán)境激勵(lì)模態(tài)分析是僅利用輸出響應(yīng)的參數(shù)識(shí)別方法,且不中斷正常交通,因此又稱為僅利用輸出響應(yīng)模態(tài)分析(Output-Only Modal Analysis, OOMA)或工作模態(tài)分析(Operational Modal Analysis, OMA)。圖3-1給出了橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析分類示意圖。

2 環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別的優(yōu)勢

環(huán)境激勵(lì)下橋梁模態(tài)參數(shù)近年來得到了長足的發(fā)展,從試驗(yàn)的方法、測試的設(shè)備到后續(xù)的參數(shù)識(shí)別理論,在各種工程實(shí)踐中得以應(yīng)用。相比較傳統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法,環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別有如下幾個(gè)優(yōu)勢:

(1)傳統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別中,用于橋梁等大型土木結(jié)構(gòu)的激勵(lì)設(shè)備昂貴、笨重,不便于運(yùn)輸;而環(huán)境荷載相比之下則易于獲得;

(2)傳統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別中的激勵(lì)難以準(zhǔn)確的測試或模擬;而假定環(huán)境荷載假定為白噪聲后,省去了復(fù)雜的激勵(lì)測試環(huán)節(jié),節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間;

(3)傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)需要中斷交通,而環(huán)境激勵(lì)模態(tài)試驗(yàn)無須中斷交通,能保障橋梁的正常運(yùn)營;

(4)部分大型的激勵(lì)設(shè)備如吊鐘釋放有可能造成橋梁結(jié)構(gòu)的損傷,這與實(shí)施模態(tài)試驗(yàn)的初衷是不吻合的。

因此,在大型土木結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析中,環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別成為主流。而橋粱健康監(jiān)測的特點(diǎn)也決定了傳統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別無法實(shí)施,只能利用環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法。

3 環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法

近年來,環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法在土木、機(jī)械、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域得到了深入的研究,形成了一系列的研究成果。國外關(guān)于環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代;1973年,Ibrahim提出了一種利用時(shí)域響應(yīng)識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法,后經(jīng)發(fā)展形成著名的ITD法(Ibrahim Time Domain);同年,Cole在航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)提出一種用于提取結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)響應(yīng)的隨機(jī)減量法(Random Decrement Technique, RDT), RDT可以與多種方法結(jié)合識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù);1991年,Van Overschee P和De Moor B提出了子空間方法,并詳細(xì)論述了隨機(jī)子空間識(shí)別、確定性子空間識(shí)別的理論;1999年,Peeters B和DeRocek G提出了參考點(diǎn)的隨機(jī)子空間方法,使得隨機(jī)子空間的計(jì)算效率大大提高;2000年,在18屆國際模態(tài)分析大會(huì)上,Brincker提出了模態(tài)參數(shù)識(shí)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(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法;2001年,Lardis J提出了滑動(dòng)自回歸平均模型(Auto Regressive Moving Average, ARMA)用于識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù);2002年,Lardis J將小波變換應(yīng)用于模態(tài)參數(shù)識(shí)別中;2007年,ReyndersE提出了參考點(diǎn)的混合子空間模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法。國內(nèi)關(guān)于環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)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(wěn)激勵(lì)下線性結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別問題;同年,陳隻和徐幼麟[□' 研究了基于EMD和Hilbert變換的模態(tài)參數(shù)識(shí)別,并成功應(yīng)用于青馬橋的模態(tài)分析;2005年,禹丹江和任偉新提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和隨機(jī)子空間方法的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法;2006年,徐士代對(duì)隨機(jī)子空間方法進(jìn)行了改進(jìn),提高了其計(jì)算效率,同時(shí)在其博士論文中還提出了一種跨功率譜的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法;2008年,王學(xué)敏和黃方林提出了基于HHT的時(shí)變模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法;2009年,何啟源在其博士論文中提出一種二進(jìn)濾波的EMD方法,并應(yīng)用于模態(tài)參數(shù)識(shí)別。

石顯：環(huán)境激勵(lì)橋梁模態(tài)參數(shù)識(shí)別—常用環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法?zhuanlan.zhihu.com石顯：環(huán)境激勵(lì)橋梁模態(tài)參數(shù)識(shí)別—互功率譜法模態(tài)參數(shù)識(shí)別?zhuanlan.zhihu.com石顯：環(huán)境激勵(lì)橋梁模態(tài)參數(shù)識(shí)別—隨機(jī)子空間法模態(tài)參數(shù)識(shí)別?zhuanlan.zhihu.com石顯：環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別—存在的問題?zhuanlan.zhihu.com

總結(jié)上述的環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法,按照信號(hào)處理的作用域可分為三大類:頻域法、時(shí)域法和時(shí)頻分析法。頻域法是以傅里葉變換穩(wěn)態(tài)譜分析為基礎(chǔ),代表性的方法有峰值拾取法、頻域分解法;時(shí)域法直接作用時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù),通過構(gòu)建狀態(tài)方程識(shí)別系統(tǒng)矩陣進(jìn)而識(shí)別模態(tài)參數(shù),其優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)響應(yīng)進(jìn)行FFT變換,不存在頻域分辨率的問題,而且時(shí)域法的理論體系完整,代表性的方法有隨機(jī)子空間識(shí)別、ARMA法、ITD、隨機(jī)減量法、NExT法等;時(shí)頻分析法是對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域聯(lián)合分析,是信號(hào)在時(shí)域和頻域都具有良好的分辨率;時(shí)頻分析法是近年來的研究熱點(diǎn),代表性的方法是小波變換和Hilbert-Huang變換法,其對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的適應(yīng)性使其具有較好的應(yīng)用前景;同時(shí),時(shí)頻分析可以對(duì)識(shí)別結(jié)構(gòu)時(shí)變非線性模態(tài)參數(shù)。

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總結(jié)

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