基于模态参数的工程结构损伤识别方法

介绍了结构故障诊断的技术手段以及应用振动诊断进行结构损伤识别的研究现状。应用有限元程序进行模态分析和频响分析,得到在不同损伤度的条件下轮对局部模态频率和振幅幅值的变化趋势。提出基于频率移动和模态振型变化来判断结构损伤。     

基于EMD(经验模态分解)奇异值熵的城市轨道交通直流牵引供电系统短路故障辨识

针对现有保护对远端短路电流和列车充电电流区分能力较弱的问题,提出了一种基于EMD(经验模态分解)奇异值熵的辨识方法.通过对暂态电流进行EMD,获得特征向量矩阵,结合SVD(奇异值分解)和信息熵理论构造奇异值熵.远端短路时,暂态短路电流信号复杂,其奇异值熵大;而列车充电电流信号单一,其熵值小.因此,可根据奇异值熵大小识别短路故障.仿真和实测数据验证了该方法的有效性.     

悬挂式单轨车辆转向架构架模态分析

车辆运行的稳定性和平稳性与转向架构架的弹性振动息息相关,而构架的动态特性可以通过模态分析的方法进行评价。文章以悬挂式单轨车辆转向架构架为研究本体,对结构进行自由模态和约束模态计算,并对计算得到的构架的固有频率与振型进行分析。结果表明转向架构架的刚度设计合理,能有效避免运行中受外部缴励发生共振现象,保证安装在构架上的零部件的正常工作环境,符合结构的动刚度要求,有利于列车的平稳运行。     

地铁车辆转向架构架模态试验和仿真分析

对某B型地铁进行了构架线路振动试验,利用PolyMAX方法识别转向架构架在运用过程中的工作模态。基于有限元软件ANSYS建立了B型地铁动车转向架构架有限元模型,利用Block Lanczos法对构架有限元模型进行模态分析。对比仿真结果与试验结果,发现自由模态计算结果与试验结果存在较大差异;对构架有限元模型施加不同边界条件,发现考虑构架一系和二系悬挂、齿轮箱、电机悬挂约束后计算得到模态振型和模态频率与试验结果较为接近,误差小于5%。建议进行构架模态有限元分析时充分考虑边界条件的约束。     

转向架构架的结构灵敏度研究

转向架的构架是平台化地铁列车的关键部件,为了校核和优化构架结构的可靠性,文章将构架参数作为设计变量,利用有限元方法从结构强度和弹性模态2个角度开展灵敏度分析。研究结果显示：构架前4阶模态频率主要受横梁上盖板和下盖板厚度的影响,而模态振型受各参数的影响较小。灵敏度分析方法精准确定了构架轻量化和安全化设计的参数目标和方向,不仅有效提高了参数优化效率,更降低了计算量,为后续产品的设计优化提供了参考。     

基于运行模态参数辨识的动车组异常振动在线监测技术

针对动车组抖车、晃车异常振动发生时，振型较单一且模态阻尼比下降的特点，提出一种基于运行模态参数辨识的动车组异常振动监测技术。采用时域模态分析方法，对车体振动加速度进行实时计算，获得模态频率、阻尼比和参与因子，根据模态参与因子确定当前振动的主导振型，由主导振型的模态频率判断是否存在动车组异常振动，并根据模态阻尼比对动车组异常振动的严重程度进行量化分级报警。动车组车体平稳性监测装置现场服役跟踪数据验证表明，该技术具有较高的识别精度。     

基于广义柔度曲率信息熵的板式轨道脱空损伤识别

板式轨道填充层作为轨道结构关键部位,在高频列车荷载和环境共同作用下出现脱空损伤,引起脱空位置轨道结构刚度改变。为有效检测板式轨道的轨道板脱空情况,采用数值仿真分析得到无砟轨道模态信息,利用轨道脱空区域广义柔度曲率局部峰值进行轨道脱空损伤识别。结合广义柔度、均匀荷载面(Uniform load surface, ULS)、曲率和局部信息熵,提出可定位损伤的ULS曲率信息熵,并在CRTS III板式轨道上进行验证。研究结果表明：广义柔度曲率利用轨道脱空前后模态信息计算轨道脱空损伤曲率差,能够有效定位脱空位置;ULS曲率信息熵表征值只需要轨道的一阶模态信息便能够有效地反映轨道脱空位置及面积,且克服了广义柔度曲率需要健康模态信息的不足;轨道对称位置上相同面积脱空的ULS曲率信息熵值相同;ULS曲率信息熵值与脱空面积和厚度成正相关关系;ULS曲率信息熵表征值具有较好的损伤识别敏感性,能够识别小于单个测点布置面积的0.1 m×0.1 m小面积脱空,并且对轨道板边脱空识别敏感性高于轨道板中脱空识别敏感性。     

基于EWT-SVD方法的高速列车滚动轴承故障诊断

针对高速列车齿轮箱滚动轴承早期故障特征提取困难的情况,提出了基于经验小波变换(Empirical Wavelet Transform,EWT)和奇异值分解(Singular value decomposition,SVD)的轴承故障诊断方法。首先对信号进行EWT变换得到各阶固有模态分量,然后计算各阶固有模态分量的峭度值并选取较大峭度值对应的分量。将选取的分量构造矩阵进行正交化奇异值分解,选择合适的阶数重构信号,最后对重构信号进行Hilbert包络解调分析。分别对仿真信号和滚动轴承发生外环故障进行分析,可以较为清晰地看到滚动轴承故障特征。研究结果表明,结合EWT、峭度系数和SVD的诊断方法可以准确、快速地提取轴承故障信息,从而可以对滚动轴承进行有效诊断。     

基于模型修正理论的铁路桥墩损伤定量评估方法

基于有限元模型修正理论,以桥墩横桥向整体振动、横桥向局部振动和顺桥向局部振动模态的不同组合为输入,以墩身刚度、基底约束刚度和支座刚度为损伤识别参数,用模态频率残差和模态振型残差构造目标函数,实现对桥墩损伤的定位和定量评估。对评估方法的验证结果表明:利用由墩顶、墩中和墩底3个点响应分析得到的模态参数即可实现对桥墩损伤的评估;以桥墩的2种或3种模态为输入时,可同时识别墩身、基础和支座的损伤;对于大部分仅可测得横桥向整体振动模态的桥墩而言,利用该模态参数仍可对桥墩墩身和基础的损伤状态进行准确评估;该桥墩损伤评估方法的抗噪能力强,可收敛到全局最优解。     

基于模态贡献量的转向架接地轴端异常振动分析

以某型列车转向架为例,基于模态相关性原理,采用有限元计算和试验相结合的方法,建立了接地轴端的有限元模型,分析转向架接地轴端异常振动问题。通过对轴端关键部件进行模态分析和模态贡献量分析,得到了引起接地轴端异常振动的主要模态。分析结果表明,轴箱转臂在垂向的弯曲振型对振动的影响最为明显。提出了相应的振动控制措施,可为今后解决车辆局部振动问题提供参考。     

列车轴箱轴承在途鲁棒可视化故障诊断方法

为使列车轴箱轴承在非平稳工况下的故障识别更加有效,本文提出基于融合相关熵特征的鲁棒可视化滚动轴承故障诊断方法。通过快速集成经验模态分解FEEMD对轴承振动信号进行时频分解,提取本征模函数IMF矩阵;计算IMF与原始信号的线性相关系LCC作为相关熵的调幅系数,进而通过相关统计计算获得样本集的多维相关熵矩阵CM;利用主元分析PCA对CM进行数据空间变换,通过提取变换后的融合相关熵矩阵ICM,实现相关熵矩阵的可视化。通过实验分别提取匀加速、匀速及匀减速3种运行工况下的滚动轴承ICM特征,通过对比EMD、EEMD和FEEMD 3种信号分解方法,发现FEEMD的信号分解效率更高,且ICM比传统特征对非平稳工况下轴承故障辨识的鲁棒性更好。FEEMD-ICM为轴箱轴承快速、客观且稳定的故障诊断实现提供了可靠的理论依据和技术支持。     

基于猴群算法的斜拉桥测点优化布置研究

传感器的测点布置是大跨结构健康监测的关键问题之一。为了使用较少的传感器获取尽可能有效的数据,将猴群算法应用于斜拉桥的测点优化中。结合斜拉桥的特点,应用Fisher信息矩阵变化率筛选振型模态,并依据振型参与质量选取了y,z两个方向的6阶振型,对主梁传感器布置作优化分析。通过与有效独立法和遗传算法的对比分析,验证了猴群算法对大跨度斜拉桥的测点布置优化的适用性。     

基于模态应变能对高速转向架构架的动态性能研究

通过三维建模软件建立实体模型,然后导入到有限元软件ANSYS中进行模态分析,对比了自由状态和不同边界条件下的频率和振型,然后对实际线路上的构架进行了工作模态的测试并进行模态参数的识别。基于模态应变能的分析方法找出构架的薄弱位置,然后对其进行谐响应分析,得到薄弱位置处节点位移随频率变化的曲线,从而为进一步进行构架的动态响应分析以及结构的改进提供可靠依据。     

基于子结构法的重载凹底平车底架的固有动态特征分析

基于有限元分析,本文研究重载凹底平车底架弹性体的振动模态以及模态阶数的选取对车辆系统动态响应的影响。通过引入超单元,建立弹性体在模态坐标上的动力学方程,经过坐标变换得到物理坐标系上的方程;建立凹底架的有限元分析模型,计算分析其固有动态特征;同时,采用子结构法缩减处理凹底架有限元模型,建立有动态特征的凹底架弹性体模型,使描述凹底架的自由度总数减少,同时也保证计算的精度。对凹底架子结构超单元模型,计算分析振动模态,并与其有限元模型的模态结果进行比较。结果表明:子结构法的计算精度高,能满足车辆系统结构振动响应分析的要求。通过计算凹底架模态阶数对车辆系统动态响应的影响,得出选取凹底架的前8阶模态是合适的,有足够高的计算精度。     

基于多目标优化的磁浮轨道梁有限元模型修正

基于精细有限元建模与多目标优化算法,建立一种适用于具有复杂附属结构的磁浮轨道梁有限元模型修正方法。以一座典型的磁浮连续轨道梁桥为研究对象,建立其精细初始有限元模型;在灵敏度分析的基础上选择待修正参数,利用模态频率和振型等结构实测动力响应构造修正目标函数;采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对多目标优化问题进行求解,得到其Pareto最优解集。研究结果表明:模型修正后结构的模态频率和振型计算值与实测值吻合良好,修正后的有限元模型能够精确全面地模拟实际结构,且能确保设计参数合理且具有明确物理意义。     

基于模态应力的转向架关键悬挂件振动疲劳研究

通过建立构架关键悬挂件振动疲劳分析模型,采用模态叠加法,获得基于模态应力的构架关键悬挂件应力功率谱,并推导出结构应力的概率分布函数,并以IEC 61373标准谱和实测加速度谱为激励,利用线性疲劳损伤准则获得结构振动疲劳寿命。研究结果表明:关键悬挂件结构在IEC 61373三向加速度各激励5 h后,疲劳累积损伤值最大为1.58;在实测武广线加速度激励下,疲劳寿命为297万km;基于模态应力的分析方法能够有效地考虑激励频率与结构自身频率的振动关系,进而获得更准确的疲劳寿命。     

区间熵理论在地铁工程定量风险评估中的应用

基于信息熵权理论,提出采用区间熵理论定量计算风险事件发生概率及其潜在损失的基本方法,推导出区间熵和熵权公式,给出风险分析步骤,实现了对风险发生概率和损失的统一区间表达与计算,并可利用风险评价矩阵法确定风险等级。最后,以某地铁盾构法施工风险分析为例,通过计算,验证了所提出的区间熵理论在工程风险定量分析中的应用是可行的。     

基于模态分析的Push-over方法在桥梁抗震分析中的应用

采用非线性时程分析是计算结构地震响应较为严格的分析方法,但它存在工作量大、计算复杂等问题。目前土木工程中常采用非线性的静力分析(Push-over分析)来评价在地震作用下结构的抗震性能。均匀分布、倒三角形分布的侧向荷载分布模式,适用于刚度大或第一阶振型为主的结构,为了考虑高阶振型的影响,本文提出了基于模态分析的Push-over方法,并将其应用到桥梁抗震分析中。这种方法需要分析结构的动力特性,尤其是振型贡献率。选出振型贡献率比较高的振型,并以此为基础,依据“侧向荷载分布模式与地震时结构惯性力的分布情况应尽量保持一致”的原则,参考《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004—89)可得到对应各振型的侧向荷载,在对主要振型进行组合后,即可获得进行Push-over分析的侧向荷载分布模式。本文采用基于模态分析的Push-over方法对一实桥进行抗震性能分析,结果表明选取主要振型参与计算与采用全部振型计算的结果基本吻合,不仅考虑了高阶振型的影响,又消除了其他次要振型的干扰,因此这种方法应用于桥梁抗震性能评价是可行的。     

高速铁路客站抗震性能分析的实用虚拟激励法

针对高速铁路客站具有跨度大、节点多、单元多、构件阻尼比差异大等特点,提出实用多维虚拟激励法,从理论上阐明了振型阻尼法求解原理和方法。任取振型,采用修正过滤白噪声谱,利用反应谱能合理考虑激励非平稳性的优点,根据单自由度平稳激励虚拟激励法求得的位移均方差与位移反应谱值相等的原则确定各振型对应的功率谱强度因子。利用多维激励矩阵分解和振型分解原理,提出实用多维虚拟激励法,并以天津西站II区为例将上述理论和方法加以应用。经比较表明:计算结果较常用反应谱组合值大,较时程响应值小,证明该计算方法合理,可供复杂结构的抗震设计与分析参考。     

基于PolyMax模态参数识别法的轴装式制动盘模态试验

针对结构复杂的轴装式制动盘模态参数无法采用有限元法快速准确识别的问题,基于PolyMax模态参数识别原理,搭建制动盘模态试验系统;采用锤击法进行轴装式制动盘的模态试验,运用PolyMax法对采集的频响函数数据进行模态参数识别,提取制动盘前10阶模态、阻尼和振型参数,分析制动盘的模态特性和传感器附加质量对制动盘模态频率的影响。结果表明:传感器附加质量对制动盘结构模态频率无影响;制动盘振动模态形式主要有周向模态、径向模态和混合模态3种类型,在频率1 627 Hz附近存在频率几乎一致的重根模态,模态复杂性比较低,近似为实模态振型,满足循环对称结构的典型模态振型特征;PolyMax模态参数识别法能快速准确地识别轴装式制动盘的模态参数,可为制动盘动力学特性分析和结构优化设计提供基础。