结构模态测试中的传感器优化布置方法研究及应用

摘要

随着各种大型结构向着高精度、高速度、高生产效率快速发展，结构静态特性分析已经无法满足结构系统参数识别的需要，要求各种大型结构必须具有良好的动态特性。模态分析是研究结构动态特性的一种新方法，通常用模态试验来确定结构的振动特性。在实际模态试验中，出于试验效果、时间代价和经济成本的考虑，往往希望在获得完整模态振型的前提下将最少的传感器布置于最佳测点位置，以便收集到最准确、全面的结构振动模态数据信息，即进行传感器配置优化。近年来，智能优化算法在传感器配置优化领域得到了广泛的应用。针对结构动力学分析中传感器配置的优化问题，将分布估计算法中的估计概率模型思想引入和声搜索算法中，将改进的新算法应用于钢桁梁桥模型模态参数测试过程中进行传感器优化配置。研究内容及主要结论如下:
　　(1)针对和声搜索算法以随机方式产生新元素，寻优搜索模式极具盲目性等问题，提出了分布估计-和声搜索算法。首先将分布估计算法中的模型更新思想引入到和声搜索算法中，形成互补搜索机制。其次通过建立概率模型进行采样，解的各个分量由随机搜索转变为对整个区间进行搜索，进而拓展算法的搜索范围。最后用6种标准测试函数对改进的新算法进行测试，结果显示分布估计和声搜索算法较原和声搜索算法具有更好的寻优性能。
　　(2)针对钢桁梁桥模型模态参数测试中传感器配置的优化问题，建立了传感器优化配置的数学模型，将改进的分布估计-和声搜索算法应用于钢桁梁桥模型传感器优化配置。通过算例分析，并与原和声搜索算法传感器优化配置结果进行对比，验证了该方法的有效性，获取钢桁梁桥模型最佳的传感器优化配置方案，得到传感器最佳的布置数目和测点位置。
　　(3)针对钢桁梁桥模型实际模态测试中激励点和测点的选取进行了研究，引入模态参与度，在实际模态试验中选取了合适的的激励点。将基于分布估计和声搜索算法的传感器优化布置结果应用于钢桁梁桥模型实际模态参数测试。首先建立了试验模态分析系统，其次，对钢桁梁桥模型进行模态试验，得到其固有频率及模态振型，并与有限元模态分析结果对比，测得了钢桁梁桥模型的相关模态参数，验证其结果的正确性和有效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 模态参数测试研究现状

1．3 传感器优化布置研究现状

1．3．1 传统优化算法

1．3．2 智能优化算法

1．4 论文的主要研究内容

2 模态分析理论与有限元建模

2．1 模态分析的基本理论

2．1．1 振动方程的建立

2．1．2 固有频率和振型

2．2 模态拟合的方法

2．2．1 频域法

2．2．2 时域法

2．3 模态分析的基本步骤

2．4 钢桁梁桥模型有限元模型

2．5 本章小结

3 分布估计-和声搜索算法

3．1 和声搜索算法

3．2 分布估计算法

3．3 分布估计-和声搜索算法

3．3．1 互补搜索机制

3．3．2 自适应局部调整

3．3．3 分布估计和声搜索算法实现步骤

3．4 算法性能测试及结果分析

3．4．1 参数设置

3．4．2 迭代次数固定时收敛精度比较

3．5 本章小结

4 基于分布估计-和声搜索算法的传感器优化配置

4．1．1 传感器优化配置数学模型

4．1．2 整数编码及初始化

4．1．3 互补搜索机制

4．1．4 自适应局部调整

4．1．5 分布估计-和声搜索算法传感器配置优化的步骤

4．2 分布估计-和声搜索算法在传感器优化布置中的应用

4．2．1 算例验证

4．2．2 结果对比分析

4．3 本章小结

5 钢桁梁桥模型模态试验分析

5．1 激励点选取

5．2 模态预试验分析

5．2．1 试验对象

5．2．2 激励及响应设备

5．2．3 支承方式的选择

5．2．4 试验系统主要技术措施

5．2．5 模态预试验参数设置

5．2．6 试验模态分析的过程

5．3 钢桁梁桥模型模态试验

5．3．1 模态试验测试系统和试验设备

5．3．2 测点的布置

5．3．3 正式试验

5．4 试验结果分析

5．4．1 结果对比

5．4．2 试验结果校验

5．4．3 试验结果分析

5．5 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果