基于环境激励下的工作应变模态频域识别方法

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1、维普资讯http://www.cqvip.com振动与冲击第27卷第8期JOURNALOFVIBRAⅡONANDSHOCK基于环境激励下的工作应变模态频域识别方法顾培英，邓昌(1．南京水利科学研究院，南京210029；2．水利部水科学与水工程重点实验室，南京210029)摘要：针对应变型指标比位移型指标对损伤具有更好的识别能力，以及环境激励的优越性，提出工作应变模态。本文从应变频响函数理论出发，对工作应变模态频域识别方法进行推导。利用应变幅频响应曲线峰值判断系统固有频率。当激励为白噪声或宽带随机谱时，根据各测点应变响应幅值谱与参考

2、点应变幅值谱的比值，得到系统的工作应变模态幅值。并可利用互谱实部符号判断工作应变模态的相位。关键词：环境激励；工作应变模态；频域；损伤识别中图分类号：TB123文献标识码：A结构损伤诊断首先需解决损伤标识量的选择问变模态的频域识别方法。题，即决定以哪些物理量为依据能更好地识别和确定1应变频响函数结构的损伤位置与程度。李德葆等研究得到了六种损伤识别指标的灵敏度，由低到高的次序为：结构位移模具有粘性阻尼n自由度系统的频响函数模态展态振型、固有频率、位移频响函数、曲率模态振型、应变式为模态振型、应变频响函数⋯，应变型指标比位移型指标)：

3、(1)对损伤具有更好的识别能力。笔者也进行了相关试验r=l研究和数值仿真分析，得出了简支梁和渡槽结构应变式中，——第r阶位移模态矢量；模态损伤规律及其损伤识别优势“。原则上讲，应k、m，、cr——分别为第r阶模态刚度、模态质量、变分布可由变形位移经微分运算求得，反之，变形位移模态粘性比例阻尼系数。可由应变分布经积分运算求得，但积分过程将使曲线频响函数矩阵的某一元素，如J坐标激励、坐标响局部变化趋于平缓。因此，若在应变分布中存在局部应的频响函数H()为应变剧烈变化，该变化在位移分布中却得不到充分反映。若直接进行应变动特性分析，可使位

4、移模态分析)(2)的上述不足得以改进。但目前所涉及的损伤指标法大式中——第r阶位移模态矢量的第i个元素。多数是基于位移类模态(或参数)。应变模态法基本思想是认为振动系统应变场由适损伤状态下的模态数据需通过模态试验获得，而传当的特征应变场按一定比例叠加来表示。结构应变模统的模态试验需对结构进行人工激振，同时{贝4得结构上态与位移模态相对应，它们是同一能量平衡状态的两的激励、加速度或位移响应信号，还需封闭现场或线路，种表现形式J。无法实现在线试验，更不用说对结构进行实时安全监测。位移响应可表示为各模态贡献之和，即许多结构人工激励较为困

5、难，甚至无法施加。基于环境激励的位移模态试验方法仅需直接测取结构在风力、水=∑』Y：toy(、3)流、交通等工作环境激励下的响应数据来识别结构位移同理，对于应变响应有模态参数，无需对结构施加人工激励，激励是未知的。环境激励下的损伤识别方法不仅节省了人工和设备费用，s=∑y=(4)也避免了对结构可能产生的损伤。直接从工作环境状态式中、r分别为位移响应、应变响应列阵；下的响应数据识别模态参数更符合实际情况和边界条——第r阶应变模态矢量；件，可实现在线损伤诊断和实时安全监测。Y、y——分别为位移模态、应变模态的第r阶模定义环境激励下的应

6、变模态为工作应变模态OSMS态坐标。(OperationalStrainModeShape)。本文主要讨论工作应因为每一位移模态矢量必有一个对应的应变模态，既然是同一能量平衡状态的两种表现形式，基金项目：国家自然科学基金资助项目(50779036)收稿日期：2007一l1一O8修改稿收到日期：2008一O1一O8那么也可认为在s中所占的比例与，在中占有第一作者顾培荚女，博士，高工，1968年生的比例相等，即维普资讯http://www.cqvip.com第8期顾培英等：基于环境激励下的工作应变模态频域识别方法y，：(5)I咖咖I2

7、，k，()咖￡=耋毒(6)I咖I()咖2，k，=Aj．式中F——激励幅值列阵。●：所以，应变频响函数矩阵H为(，)I咖I=熹(7)2，k，其中任一元素为(13)=耋㈣这里也可看出，应变频晌函数矩阵任一列包含了应变模态的所有信息，因此环境激励位移模态试验频式中：——第r阶应变模态矢量的第i个元素。域法完全可应用到应变模态中来。根据式(7)可知，应变频响函数矩阵具有三个特环境激励一般可假设为白噪声或宽带随机谱。当点：①该矩阵是非对角阵；②矩阵中任一元素含有k，、激励信号为白噪声时，Js()为常量，令B=m、Cr信息；③矩阵中任一行含有

8、位移模态的所有信息，()，=AirB，将式(13)两边同乘以~／()任一列含有应变模态的所有信息。得到2固有频率识别式(8)也可写成=Aj．B=Cfr(14)●●()=∑———拿——一(9)：：后，√[一()]‘+4；()所以，当环境激励为白噪声时