基于频域的结构密集模态自动识别方法研究

摘要

随着社会的发展，工程结构越来越多，结构的动力特性由结构的模态参数确定。一般通过对实测振动信号数据进行模态参数识别以获取结构模态参数，进而分析结构在役健康状态。考虑到运行模态分析在实际振动结构模态参数识别中的优势以及频域识分解法的优点，本文选用频域分解法识别结构模态参数。论文的主要研究工作及成果如下： （1）总结了频域识别法的优缺点，选用了适用于环境激励的频域分解法作为模态参数识别法进行研究。频域分解法识别出的模态频率、模态振型精度较高；但识别阻尼比时由于截断误差影响识别精度较低，本文以奇异向量在结构固有频率附近相关性极高为理论基础，对阻尼比识别方法加以完善，最终编程实现该方法，并用该方法对一个四自由度弹簧质量系统结构算例进行模态参数识别，结果表明该算法识别精度较高且阻尼比识别精度令人满意。但是频域识别法不能很好的解决结构密集模态问题。 （2）文中分析了密集模态形成原因以及常见的容易出现密集模态的结构。对结构密集模态振型及频率的灵敏性进行了分析，依据结构扰动后密集模态对应的两阶振型在其子空间中旋转角度一致且具有边界这一特点，将其应用于实际工程结构密集模态参数识别中。文中按照密集模态在频域两个峰的混叠程度将其分为两类，以往的针对密集模态的参数识别方法只适用于混叠程度较低的一类，本文提出的以频响函数为基础的适用于密集模态的定阶方法，适用于需要提前定阶识别结果才能准确的频域识别法。 （3）为有效解决结构密集模态识别问题，本文在频域分解法的理论基础上加以改进，该方法先对振动结构的加速度响应数据的互功率谱密度函数矩阵做奇异值分解，然后对各频率点第一个奇异值进行分析，通过求解并对比其峰值处奇异向量与其左右附近频率点的奇异向量间的角度，最终确定一个峰值处的模态阶数。并用一个含密集模态的三自由度弹簧质量系统结构进行验证分析，算例表明，所提出的方法能有效解决两类密集模态。 （4）为减少人为参与，能做到自动识别出结构的模态参数，从而为工程结构实时监测提供进一步可能性，文中采用尺度空间峰值检测法自动获取奇异值曲线峰值，并对改进的频域分解法设置参数范围，最后编程实现自动化。文中最后对一个实际桥梁的实测数据进行分析，模态参数识别结果表明，该方法能自动识别出实际工程中结构含密集模态的模态参数。通过对比同一天三个时段的模态振型，验证了结构密集模态特性。

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