结构试验模态的计算机仿真分析

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1、第22卷第3期华　中　科　技　大　学　学　报(城市科学版)Vol.22No.32005年9月　J.ofHUST.(UrbanScienceEdition)Sep.2005结构试验模态的计算机仿真分析11徐礼华　黄君宁(1.武汉大学　土木建筑工程学院,湖北　武汉　430072)摘　要:根据土木工程结构的特点,采用VisualBasic语言编写结构模态识别程序,使用频域单模态法识别结构模态参数,并采用计算机仿真分析技术讨论了在不同条件下的识别精度.分析结果表明,采用该程序识别结构的模态参数是可行的.关键词:模态识别

2、;　频域法;　随机激励中图分类号:TU317:P315.96　　文献标识码:A　　文章编号:167227037(2005)0320005205　　在实际工程中,求结构模态参数的方法有计拉氏变换.由式(2)得算模态分析法和试验模态分析法,前者根据已知{Y(s)}=[Hd(s)]{F(s)},(3)的结构质量矩阵和刚度矩阵,用求特征值和特征式中,[Hd(s)]为结构的位移传递函数矩阵,且向量的方法求解结构的模态参数.而许多已建结[Hd(s)]=([M]s2+[C]s+[K])-1.(4)构的质量和刚度是未知的,或者

3、由于结构的损伤对上式进行适当的变换,并令s=jw,可得结构的破坏使刚度发生了变化,试验模态分析技术是在加速度传递函数矩阵结构质量和刚度未知的情况下,依据试验和数据N2T-ω{ψi}{ψi}处理来识别结构的模态参数[Ha(ω)]=∑22,(5).作者采用可视化开i=1Mi(ωi-ω+2ξjωiωi)发工具VisualBasic语言编写了结构振动模态识式中,Mi为结构的i阶模态质量;ωi为结构的i别程序,使用频域法识别结构的模态参数.试验阶模态圆频率;ξi为i阶模态阻尼比.模态分析在实际应用中不可避免地会受到环境和

4、传递函数矩阵中的任一元素Hrp(ω)表示pa仪器设备等因素的影响,而使信号中混入了噪点激振,r点拾振的传递函数声.采用有限元软件ANSYS模拟结构在一定激励N2rp-ωψrψipi下的振动过程Ha(ω)=∑22,(6),并在信号中加入一定的随机噪声i=1Mi(ωi-ω+2ξjωiωi)信号来模拟实际信号.运用通用有限元软件AN2式中,ψri和ψpi表示结构i阶振型在位置r和p点SYS求解结构模态参数,以检测作者编写的模态的坐标.由此可见,结构的传递函数是一个只与分析程序的可靠性.结果表明,该程序是可靠的.结构的

5、模态参数ω,ξ和ψ有关的函数,通过测量结构各点的传力函数就可求出结构的模态参数.1　结构模态参数识别的理论分析2　结构模态识别具有阻尼的多自由度体系的振动微分方程[M]{¨y}+[C]{Ûy}+[K]{y}={f(t)},(1)2.1　数字信号处理式中,[M]为结构的总质量矩阵;[C]为结构的阻在本文程序中,通过一定的采样频率,对结构尼矩阵;[K]为结构的总刚度矩阵;{f(t)}为激励的输入和输出信号采样得到时域上的离散点,然力向量;{y},{Ûy}和{¨y}分别为节点的位移、速度后采用快速傅立叶变换(FFT)

6、技术将信号由时域和加速度向量.对(1)式两边进行拉氏变换得变为频域.傅立叶变换是在无限时间上进行的,而2实际记录的信号在时间上总是有限的,记为x([M]s+[C]s+[K]){Y(s)}={F(s)},(2)T式中,{Y(s)}和{F(s)}分别为{y(t)}和{f(t)}的(t),可认为xT(t)是对真实信号x(t)进行时间长收稿日期:2005203202.作者简介:徐礼华(19622),女,教授;武汉,武汉大学土木建筑工程学院(430072).基金项目:湖北省自然科学基金资助项目(2002AB0011).©

7、1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.　　　　　　　　　　　　　华　中　科　技　大　学　学　报·6·(城市科学版)2005年度为T的截断,即相当于在原信号上加了一个高线的峰值在结构各阶模态频率附近,即度为1、时间长度为T的矩形时域窗函数,使窗外rprpψrψipiHa(ω)峰=Ha(ωi)=.数据全部丢失,并导致频域内会附加一些频率成2Mξii分,即泄漏.这将使频谱计算值与真实值之间产生由上式可以看出,各测点传递函数在某阶模[

8、1]态频率处的幅值之比等于该阶模态振型在各测点较大的差异.减小频谱泄漏的方法有两种:加长信号的记录时间T;对窗函数进行改进,如采用处的坐标之比.考虑到各点识别的同一阶模态频Hanning窗、Hamming窗、三角窗、余弦坡度窗、率可能不在同一个点上,为了减小误差,采用频率[1,2]点附近的几个点的数据拟合导纳圆,用导纳圆直Blackman窗和平顶窗等.在本文程序中,采用对时域信号加Ha