用于对结构执行模态分析的系统和方法

摘要

一种用于对结构执行模态分析的方法包括以下步骤：将所述结构分成多个层，每一个层具有个別形心；确定相对于所述多个层的个別形心的每一个层上的测试点的运动，其中所述测试点处于沿测试平面离开所述个別形心预定距离处；和处理每一个层上的所述测试点的运动以确定所述结构的模态响应。一种用于对结构执行模态分析的系统包括运动检测模块和用于执行所述方法的处理模块。

说明书

技术领域

本发明涉及用于对结构执行模态分析的系统和方法，并且特别地(虽然不排他地)涉及用于确定建筑结构的振动的模态响应的系统和方法。

背景技术

建筑结构可以根据各种要求诸如外观、结构强度、和与地理位置关联的其它因素等被建造。通过先进的技术，一些这些结构可以被布置在偶有挑战的位置，如接近地震区域建造的塔或可能经受海中的波浪的海上平台。

为了分析这些结构的结构响应，可以执行模态分析以研究在振动下的结构特性。通过进一步研究模态分析结果，该结构可以基于该结构经受的这些挑战进行改良以避免被不同类型的振动造成严重的破坏。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于执行模态分析的方法，该方法包括以下步骤：将所述结构分成多个层，每一个层具有个別形心；确定相对于所述多个层的个別形心的每一个层上的测试点的运动，其中所述测试点处于沿测试平面离开所述个別形心预定距离处；和处理每一个层上的所述测试点的运动以确定所述结构的模态响应。

在第一方面的实施例中，多个层的每一个上的测试点是单个测试点。

在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：确定所述结构的多个层的每一个上的所述测试点的多个瞬时振动方向。

在第一方面的实施例中，确定多个瞬时振动方向的所述步骤包括处理所述多个层的每一个上的所述测试点中获得的所述模态响应的多个模态分量。

在第一方面的实施例中，所述多个模态分量是同步的并且没有相位畸变。

在第一方面的实施例中，通过应用线性/零相位滤波而获得所述多个模态分量。

在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：确定对应于所述多个层的每一个上的所述测试点的多个瞬时振动幅值。

在第一方面的实施例中，通过将希尔伯特变换应用于所述多个模态分量的每一个而确定所述多个瞬时振动幅值。

在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：识别所述结构的运动的扭转模态和/或平动振动模态。

在第一方面的实施例中，所述测试点的运动方向被描绘为角度，所述角度由相对于所述个別形心的预定参考方向和沿所述测试平面的所述测试点和相应的层的个別形心之间的最短距离限定。

在第一方面的实施例中，当所述多个模态分量的至少一个的运动轨迹实现稳态的线性/弧形分布并且所述测试点的对应的瞬时振动方向等于所述角度或代表相对于作为中心值的所述角度的简谐振动，将所述结构的运动识别为扭转运动模态。

在第一方面的实施例中，通过计算对应于所述多个层的每一个上的所述测试点的运动半径的线性响应，识别所述结构的运动的扭转模态，确定扭转持续时间和瞬时幅值信息。

在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：通过对应于所述多个层的每一个上的所述测试点的运动半径的每一个的所述模态响应的幅值描绘扭转振形的函数的幅值。

在第一方面的实施例中，扭转振形的函数的幅值的符号代表与参考测试点和不同测试平面上的多个不同测试点关联的时程中的所述模态响应的关联系数的符号。

在第一方面的实施例中，还包括以下步骤：通过识别节点的数量而确定所述运动的扭转模态的阶次。

在第一方面的实施例中，如果所述两个测试点包括时程中的模态响应的相反的相位或负的关联系数，则通过由沿相同方向的多个测试点的两个的相同阶次的模态分量代表的被识别的节点的求和，获得节点的数量。

根据本发明的第一方面，提供一种用于对结构执行模态分析的系统，该系统包括：运动检测模块，所述运动检测模块被布置为确定结构中的被分开的多个层的每一个上的测试点相对于所述多个层的每一个的个別形心的运动，其中所述测试点处于沿测试平面离开所述个別形心预定距离处；和处理模块，所述处理模块被布置为处理每一个层上的所述测试点的运动以确定所述结构的模态响应。

在第二方面的实施例中，多个层的每一个上的测试点是单个测试点。

在第二方面的实施例中，运动检测模块包括多轴拾振器。

在第二方面的实施例中，所述运动检测模块包括相对彼此正交地构造的多个单轴拾振器。

在第二方面的实施例中，所述运动检测模块包括多个检测器，每一个检测器布置在所述多个层的每一个上的所述测试点并且被布置为检测所述多个测试平面的每一个上的所述测试点的运动。

在第二方面的实施例中，所述处理模块还被布置为确定所述结构的多个层的每一个上的所述测试点的多个瞬时振动方向。

在第二方面的实施例中，所述处理模块被布置为基于处理所述多个层的每一个上的所述测试点中获得的所述模态响应的多个模态分量而确定所述多个瞬时振动方向。

在第二方面的实施例中，所述多个模态分量是同步的并且没有相位畸变。

在第二方面的实施例中，所述处理模块被布置为施加线性/零相位滤波以便获得所述多个模态分量。

在第二方面的实施例中，所述处理模块还被布置为确定对应于所述多个层的每一个上的所述测试点的多个瞬时振动幅值。

在第二方面的实施例中，所述处理模块被布置为将希尔伯特变换应用于所述多个模态分量的每一个以便确定所述多个瞬时振动幅值。

在第二方面的实施例中，所述处理模块还被布置为识别所述结构的运动的扭转模态和/或摆动模态。

在第二方面的实施例中，所述测试点的运动方向被描绘为角度，所述角度由相对于所述个別形心的预定参考方向和沿所述测试平面的所述测试点和相应的层的个別形心之间的最短距离限定。

在第二方面的实施例中，当所述多个模态分量的至少一个的运动轨迹实现稳态的线性/弧形分布并且所述测试点的对应的瞬时振动方向等于所述角度或代表相对于作为中心值的所述角度的简谐振动，所述处理模块被布置用于将所述结构的运动识别为扭转运动模态。

在第二方面的实施例中，当所述结构的扭转运动模态被识别，所述处理模块还被布置为通过计算对应于所述多个层的每一个上的所述测试点的运动半径的线性响应而确定扭转持续时间和瞬时幅值信息。

在第二方面的实施例中，扭转振形的函数的幅值代表对应于多个层的每一个上的测试点的运动半径的每一个的模态响应的幅值。

在第二方面的实施例中，扭转振形的函数的幅值的符号代表与参考测试点和不同测试平面上的多个不同测试点关联的时程中的所述模态响应的关联系数的符号。

在第二方面的实施例中，所述处理模块还被布置为通过识别节点的数量而确定所述扭转运动模态的阶次。

在第二方面的实施例中，如果所述两个测试点包括时程中的模态响应的相反的相位或负的关联系数，则通过由沿相同方向的多个测试点的两个的相同阶次的模态分量代表的被识别的节点的求和，获得节点的数量。

在第二方面的实施例中，该结构包括建筑结构。

附图说明

现在将参考附图通过例子的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的用于对结构执行模态分析的系统的方块图；

图2是示出测试平面上的图1的系统的运动检测模块的三维构造的图示；

图3是示出图2中的多个测试平面上的图1的系统的多个运动检测模块的三维构造的图示；并且

图4是流程图，该流程图示出根据本发明的一个实施例的用于对结构执行模态分析的方法的步骤。

具体实施方式

发明人通过他们自己的研究、试验和实验而发现测试和识别扭转振动模态的数种方式。例如，可以通过建立有限元模型(Finite Element Model,FEM)包括从模拟结果中获得扭转模态的振形和对应的预定频率，并且将从测试和通过模拟获得的频率结果作对比以识别振动模态。

这个方法需要测试对象/结构的几何和物理信息，因此测试循环/周期是长的并且是昂贵的。此外，在测试和模拟结果之间存在相对大的偏差，因此该结果不适合于有效识别(扭转)振动模态。

在一个替代的例子中，可以布置检测器(如拾振器)在两个测试点，该两个测试点沿测试平面相对于形心对称(测试平面的形心被认为大致不偏离扭转中心)。布置的拾振器具有垂直于两个拾振器之间的最短距离的测试方向。通过减去两个测试点的时间响应然后除以两个测试点之间的距离以及后续分析，可以获得对应的扭转响应模态分量。

这个方法需要在两个测试点中获得的同步响应信息。结构障碍(诸如墙壁)通常存在于真实结构中，这在不同的测试程序中增加困难和成本。此外，这种方法仅适合于识别高建筑物的一阶扭转模态(first order torsional mode)。

参考图1到3，图中示出用于对结构执行模态分析的系统100的实施例，该系统包括：运动检测模块102，该运动检测模块被布置用于确定结构108中的被分开的多个层106的每一个上的测试点104相对于该多个层106的每一个的个別形心110的运动，其中测试点104处于沿测试平面106离开个別形心110预定距离处；和处理模块112，该处理模块被布置用于处理每一个层106上的测试点104的运动以确定该结构108的模态响应。

在这个实施例中，该结构108被分成多个(测试)层106。例如，诸如高楼或建筑物等的竖直结构可以竖直地分成多个测试层，在每一个测试层中可以包括一个或更多楼层，或者甚至一个或更多测试层可以被限定在该建筑物中的每一个楼层内。在替代例子中，诸如桥的基本上水平的结构可以被水平地分成多个测试平面/层。根据不同的测试和分析要求，其它划分方式诸如在该结构108内被划分成不同数量或方向的测试层106也可能是合适的。

如图2和3中所示，多个层106的每一个具有位于测试平面106上的个別形心110。测试层106的形心110优选地被看作测试层106的物理/结构形心，其中测试层106的重心位于或接近形心110。如果横跨测试层106的物理特性基本上一致，则形心110也可以是测试平面/层106的几何形心。

在测试平面/层106上，限定测试点104，其中运动检测模块102可以被布置在该测试点104。优选地，测试点104处于沿测试平面106离开形心110预定距离，并且每一个层106上的测试点104是单个测试点104，这意味着在每一个层中获得个別测试结果。优选地，运动检测模块102包括多轴拾振器，该多轴拾振器被布置为检测至少两个正交的测试方向(诸如如图中示出的方向X和Y)使得在每一个层106上的沿测试方向的测试点104的运动可以被运动检测模块102检测。替代地，运动检测模块102包括相对彼此正交地配置的多个(并且优选地为两个)单轴拾振器，该正交地配置的单轴拾振器被布置为检测每一个层106上的沿方向X和Y的测试点104的运动。

替代地，运动检测模块102可以是其它传感器或检测器，该传感器或检测器被布置为检测或监视测试点104的运动，无论该传感器或检测器是否布置在测试层106上的测试点104的相同位置。

在这个实施例中，为了检测结构108中的不同的测试层106上的测试点104的运动，该运动检测模块102包括多个检测器，每一个检测器被布置在多个层106的每一个上的测试点104并且被布置为检测多个测试平面106的每一个上的测试点104的运动。例如，总共n个检测器102或拾振器可以布置在n个不同的层106中，其中个別的检测器102可以布置在测试层106的每一个。

根据本发明的实施例，在检测期间，测试层106的数量N和位置根据模态阶次的研究且参考平动振动模态的常规研究被限定。在测试层106的每一个，运动检测模块102，诸如多轴(诸如两轴或三轴)拾振器或多个(或两个)正交地配置的单轴拾振器，可以被布置在远离该结构108的横截面的形心110并且尽可能远离该结构108的横截面的主轴方向的位置，其中拾振器102的两个测试轴平行于被测试结构108的平动振动模态的两个主轴(对于桥，例如，运动检测模块可以通过框架安装到远离桥面的中心位置并且在桥面上方的位置)。

布置的运动检测模块102或拾振器被布置为检测在环境激励和/或手动激励下的该结构的振动响应。对于n(其中n＝1,2,3,…,N)个测试层106的每一个，限定相对于测试轴的每一个的测试点104和该横截面的形心110之间的距离(即，L1(n)和L2(n))和相对于一个测试轴(诸如如图中示出的轴线X)从形心110到测试点104的连接的角度α(n)，即，测试点104的运动方向以一个角度表示，该角度由相对于个別形心110的两个预定参考方向和沿测试平面的测试点104和相应的层106的个別形心110之间的最短距离限定。

优选地，根据本发明的实施例，与测试点104的运动关联的数据可以被该系统100的处理模块112进一步处理。处理模块112可以由具有适当用户接口的计算机实现或者用于在该计算机上操作。该计算机可以由任何计算体系结构实现，该任何计算体系结构包括独立的个人电脑，客户端/服务器体系结构，简易终端/主框架体系结构，或任何其它适当体系结构。该计算装置被适当地编程以实施本发明。

在示例性实施例中，处理模块112可以通过服务器被实现，该服务器被布置为至少部分地(如果不是完全地)操作该系统以便根据本发明的一个实施例对结构执行模态分析。该服务器包括接收、存储和执行适当的计算机指令所必要的合适部件。该部件可以包括处理单元、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、和诸如磁盘驱动器的输入/输出装置、诸如以太网端口的输入装置、USB端口、等等。显示器诸如液晶显示器、发光显示器或任何其它合适显示器和通信链路。该服务器包括指令，该指令可以被包括在ROM、RAM或磁盘驱动器中并且可以由处理单元执行。可以设置多个通信链路，该多个通信链路可以多样地连接到一个或更多个计算装置，诸如服务器、个人计算机、终端、无线或手持式计算装置。多个通信链路的至少一个可以通过电话线或其它类型的通信链路连接到外部计算网络。

该服务器也可以包括诸如磁盘驱动器的存储装置，该磁盘驱动器可以包括固态驱动器，硬盘驱动器，光盘驱动器或磁带驱动器。该服务器可以使用个別磁盘驱动器或多个磁盘驱动器。该服务器也可以具有合适的操作系统，该合适的操作系统驻留在磁盘驱动器上或服务器的ROM中。

该系统100也可以包括数据库，该数据库驻留在被布置用于存储至少一个记录的磁盘或其它存储装置上。该数据库通过接口与服务器通信，该接口由停留在服务器上的计算机软件实现。替代地，该数据库也可以被实现为独立的数据库系统，该独立的数据库系统通过外部计算网络或其它类型的通信链路与服务器通信。

替代地，根据本发明的一个实施例，该处理模块112可以包括：处理单元，该处理单元诸如但不限于中央处理单元(CPU)；物理处理单元(PPU)；专用集成电路(ASIC)；现场可编程门阵列(FPGA)；微处理器；或专用于对结构108执行模态分析的任何其它处理单元或处理器。

参考图4，在检测期间获得的数据可以根据如以下例子中示出的方法进行分析。代表在n个测试层106的每一个沿两个轴向方向的总响应的数据可在步骤402中获得，然后基于获得的数据和在步骤404的估计获得模态频率和对应的频率范围，该估计诸如Welch估计或Yukle-Walker估计(它可以通过使用Matlab中的Pyulear Library中的函数被获得)、频率域分解法、或如本领域技术人员理解的任何其它估计方法。基于获得每一个模态频率范围并且在对不同的测试层106沿不同方向的响应信号滤波之后，在步骤406可获得在不同模态下的单自由度(Single Degree of Freedom,SDOF)响应成分。

优选地，处理模块112被布置为在步骤408施加线性/零相位滤波以便获得多个模态分量。该滤波过程包括线性相位或零相位滤波，以保证SDOF响应成分的时间响应信号是严格地同步的并且没有相位畸变。线性相位滤波器可以包括有限脉冲响应(Finite Impulse Response,FIR)带通滤波器，已滤波的信号中具有比原始信号相滞后预定时间t0的特性，其中：

t₀＝-dφ/dw.(1)

其中dφ/dw被定义为该带通区域内的相位角曲线的斜率。通过FIR滤波器的阶次的合适选择，可以获得该带通区域内的相位角曲线的不变斜率(即，方程(1)在该整个带通区域内具有不变的值)。因此，在线性相位滤波之后，在步骤410中通过沿时间轴随着t0左移位，已滤波的信号可以获得没有相位畸变的单模态时程响应。

替代地，零相位滤波包括以下步骤：将输入信号序列进行滤波；反转已滤波的时程信号；将已反转的时程信号进行第二次滤波；并且将已滤波的时程信号进行第二次反转。这种滤波技术可以使用FIR滤波器或无限脉冲响应(Infinite Impulse Response,IIR)滤波器(这可以通过Matlab中的filtfiltLibrary中的函数被实现)。

每一个通过滤波获得的模态分量被表示为x(n,i,m,t)，n＝1,…,N，并代表不同的测试层106，i＝1,2，它代表如图2和3中示出的测试方向X和Y，m＝1,2,3,...，它代表在该估计中被识别的模态阶次，并且t代表时间。不同测试层106中沿不同方向的模态响应成分的瞬时振动幅值可以借助步骤412处的希尔伯特(Hilbert)变换在步骤414通过处理x(n,i,m,t)被获得(这可以通过Matlab中的hilbert Library中的函数被实现)。

处理模块112还被布置为在步骤416确定结构108的多个层106的每一个上的测试点104的多个瞬时振动方向。基于处理多个层106的每一个上的测试点104中获得的模态响应的多个模态分量，确定该多个瞬时振动方向。例如，在不同的测试层106的不同模态分量的对应的瞬时振动方向角θ可以由以下三角方程确定：

$>\theta (n,m,t)=\left(\begin{array}{c}\arctan [x(n,1,m,t)/x(n,2,m,t)],\\ \begin{array}{cc}for& x(n,1,m,t)·x(n,2,m,t)\ge 0;\end{array}\\ \pi +\arctan [x(n,1,m,t)/x(n,2,m,t)],\\ \begin{array}{cc}for& x(n,1,m,t)·x(n,2,m,t)<0.\end{array}\end{array}\right)---\left(2\right)$>

上述方程中的第二测试轴是零度，并且顺时针方向被看作正的。此外，θ和π+θ都代表相同的振动方向，即，θ的范围是[0,π)。

优选地，因此多个模态分量的至少一个的运动轨迹实现测试点104的稳态的线性/弧形分布并且对应的瞬时振动方向等于该角度或代表相对于作为中心值的该角度的简谐振动，该处理模块112被布置用于将该结构108的运动识别为扭转模态运动。

在步骤418、420和422，扭转模态可以如下参考图3和4并且基于上面的数据分析被识别。首先，识别扭转模态和平动振动模态。当与平动振动模态相比时，扭转模态具有特别的振动形式，即，测试点104绕扭转中心沿垂直于测试点104和扭转中心之间的连接(或最短距离)的方向简谐地振动。在示例性情况中，对象结构108(的层)的形心110通常被假定为不远离扭转中心，结果，可以认为测试点104在扭转模态下绕形心110简谐地振动。扭转模态可以基于上述特征被识别并且如下被进一步说明。

在具有较小振动幅值(例如，小于5°)的情况中，对应于扭转模态的运动轨迹显示线性分布，瞬时振动方向角θ(t)具有一定的值，并且θ(n)＝α(n)。在具有较大振动幅值(例如，大于5°)的情况中，对应于扭转模态的运动轨迹显示弧形分布，瞬时振动方向角相对于作为振动中心的α移动。考虑扭转中心和形心的实际偏心效应和当扭转模态振动幅值是小的时测试噪讯的影响，在获得的和理论的运动轨迹和瞬时振荡方向角之间存在一定程度的偏差和分歧，但该振动将仍然具有θ的中心值和非常类似的角度α，而平动振动模态中的瞬时振动的中心值和角度α不同于扭转模态中的那些。因此，通过比较瞬时振动方向角的中心值和测试点104的对应角度α之间的关系，结合关于中心值和运动轨迹形状的瞬时振动方向角的分歧的分析，可以确定扭转模态。

由此该结构的扭转运动模态被识别，该处理模块112还被布置为通过计算对应于多个层106的每一个上的测试点104的运动半径的线性响应而确定扭转持续时间和瞬时幅值信息。

随后，从步骤424到442可以确定扭转模态的阶次、振形和扭转角度。对于一阶扭转模态，沿相同测试方向的不同测试层的相同模态响应的相位是相同的，或者对应于时程响应的关联系数Cpq(i,m)在以下方程中是正的并且接近1，或者等于1：

C_pq(i,m)≡corr[x(p,i,m,t),x(q,i,m,t)].(3)

其中corr[]是两个时间序列x(p,i,m,t)和x(q,i,m,t)的关联系数的操作。

对于第二或较高阶次的扭转模态，任何两个相邻的节点之间的区域被表示为节点段。沿相同测试方向并且在节点段内的任何两个测试点的模态响应具有相同的相位，或者对应于时程响应的关联系数接近1。在两个相邻的节点段中沿相同测试方向的任何两个侧部的模态响应具有相反的相位(180°差异)，或者对应于时程响应的关联系数Cpq(i,m)接近-1。结果，两个相邻的测试层之间的节点的存在和位置可以在步骤430根据Cpq(i,m)的符号被确定，并且扭转模态的阶次还可以在步骤432由节点的数量确定。

优选地，扭转振形的函数的幅值代表对应于多个层106的每一个上的测试点104的运动半径的每一个的模态响应的幅值。

一些传感器或检测器102可以仅被构造用于直接检测平动振动(诸如平动位移、平动速度、平动加速度等等)而不是角振动。在根据本发明的实施例的另一示例性测试程序中，对应于扭转模态的角响应φ(n,i,m,t)可以由以下方程确定：

φ(n,i,m,t)＝x(n,i,m,t)/L_i.(4)

并且Φ(n,i,m)≡sign[C_rn(i,m)]·std[φ(n,i,m,t)]，其中sign[]是符号函数，r代表参考测试层，它可以被选择为顶部测试层(即，r＝N)，n是当前测试层，n＝1,2,3,...,N，代表不同的测试层106，std[φ(n,i,m,t)]代表φ(n,i,m,t)序列的均方根值。对于扭转模态，由于φ(n,1,m,t)＝φ(n,2,m,t),sign[Crn(1,m)]＝sign[Crn(2,m)],因此Φ(n,1,m)＝Φ(n,2,m)和Φ(n,i,m)中的i可以被省略并且被表示为Φ(n,m)。因此，对应于扭转模态的振形函数可以被描绘为无量纲矩阵Φ(n,m)，其中Φ(n,m)的绝对值在步骤436代表振形的幅值，符号在步骤440代表振形的方向(即，相对于参考测试层的相同的方向(+)或相反的方向(-))。因此，通过由沿相同方向的多个测试点104的两个的相同阶次的模态分量代表的被识别的节点的求和(如果该两个测试点104包括时程中的模态响应的相反的相位或负的关联系数)，获得节点的数量。

有利地，当与一些其它扭转模态识别方法相比时，根据本发明的实施例可以提供有效的方法，该有效的方法基于实时测试的数据可用于识别对象的扭转振动模态，并且也可用于确定节点的位置和扭转模态振动的阶次，获得对应的振形函数，以及该对象的扭转振动模态的时间响应和瞬时幅值。此外，测试程序是简单的，容易操作，低成本，并且避免不方便的测试方法，诸如通过布置对称的测试点以便测试。

这些实施例特别有利于高建筑物，海上平台，桥和任何其它建筑结构中的扭转振动模态的识别和该振动的相关分析。

在不偏离本发明的精神的情况下，用于执行模态分析的该系统和方法可以被用于分析任何建筑结构，或可能经受振动并且可能需要模态分析的任何其它对象。

本领域技术人员将理解，可以对如具体实施例中所示的本发明作出许多改变和/或修改，而不偏离如概括描述的本发明的精神或范围。因此，本实施例要在所有方便被认为是说明性的并且不是限制性的。

这里包含的对现有技术的任何引用不被看作承认该信息是公知常识，除非另外指示。