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原文传递一种桥梁模态参数识别方法

专利名称：	一种桥梁模态参数识别方法
摘要：	本发明公开了一种桥梁模态参数识别方法，其特征是：在两轴车辆上安装单个无线加速度传感器形成可移动测试装备，将所述两轴车辆逐步置于桥梁的不同位置处进行测试，获取两轴车辆‑桥梁系统在环境激励下的动力响应，通过傅里叶变换对所述动力响应进行频谱分析，得到两轴车辆‑桥梁系统频率，再利用两轴车辆‑桥梁系统角频率的变化关于桥梁模态参数即频率和振型的物理关系，识别桥梁频率和振型。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	安徽;34
申请人：	合肥工业大学
发明人：	贺文宇;任伟新
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-20T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-04T00:00:00+0800
申请号：	CN201910214095.X
公开号：	CN109839441A
代理机构：	安徽省合肥新安专利代理有限责任公司
代理人：	何梅生
分类号：	G01N29/12(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	230009 安徽省合肥市包河区屯溪路193号
主权项：	1.一种桥梁模态参数识别方法，其特征是：在两轴车辆上安装单个无线加速度传感器形成可移动测试装备，将所述两轴车辆逐步置于桥梁的不同位置处进行测试，获取两轴车辆-桥梁系统在环境激励下的动力响应，通过傅里叶变换对所述动力响应进行频谱分析，得到两轴车辆-桥梁系统频率，再利用两轴车辆-桥梁系统频率的变化关于桥梁模态参数即频率和振型的物理关系，识别桥梁频率和振型。 2.根据权利要求1所述的桥梁模态参数识别方法，其特征是包含如下步骤：步骤1：确定两轴车辆参数，包括：两轴车辆的质量与桥梁的质量的比值为0.02-0.05，两轴车辆的前轴与后轴的质量比值为1.5-2.5，两轴车辆的轴距不小于1m；步骤2：选择桥梁振型测点，将桥梁左端支座支承点处作为第1个测点，从左至右依次选择测点，相邻两测点之间的距离为车辆轴距，测点编号从左至右依次增加，测点总数为T；步骤3：将所述可移动测试装备置于桥梁上，后轴置于第1个测点，前轴置于第2个测点，利用可移动测试装备上的加速度传感器获取两轴车辆-桥梁系统在环境激励下的动力响应；随后，将车辆向右移动，后轴置于第2个测点，前轴置于第3个测点，利用可移动测试装备上的加速度传感器获取系统在环境激励下的动力响应，依序完成从左至右的T-1次测试；步骤4：逆转车辆方向，从桥梁右端开始测试；首先将后轴置于第T个测点，前轴置于第T-1个测点，利用可移动测试装备上的加速度传感器获取两轴车辆-桥梁系统在环境激励下的动力响应；按照与步骤3相同的方式依序完成从右至左的T-1次测试；步骤5：通过傅里叶变换，对步骤3和步骤4所获得的动力响应进行频谱分析，经识别获得各阶测试频率；步骤6：利用从左至右的第一次测试和从右至左的最后一次测试所获得的各阶测试频率，经识别获得桥梁各阶频率；步骤7：利用车辆-桥梁系统角频率的变化与相应测量位置上桥梁振型的物理关系，识别桥梁振型。 3.根据权利要求2所述的桥梁模态参数识别方法，其特征是：按如下方式确定两轴车辆-桥梁系统频率的变化关于桥梁模态参数的物理关系：采用总自由度数为N的有限元模型进行模拟，无阻尼桥梁动力方程如式(1)：其中，K和M分别为桥梁的刚度矩阵和质量矩阵，矩阵大小为N×N，ωi和φi分别为桥梁的第i阶角频率和第i阶质量归一化振型；桥梁第i阶角频率ωi和桥梁第i阶频率fi关系如式(2)：频率响应函数矩阵H(ω)如式(3)，H(ω)是N×N的矩阵： H(ω)＝[K-ω2M]-1 (3) 其中，ω为频率变量；频率响应函数矩阵H(ω)中的第j行j列的元素Hj,j(ω)由式(4)所表征：其中，ki和mi分别为桥梁的第i阶振型刚度和第i阶振型质量，ki＝φiTKφi，mi＝φiTMφi，上标T表示向量转置；φi,j为桥梁第i阶振型的第j个自由度上的分量；基于单点附加质量：将一个附加质量Δm作用于桥梁有限元模型的第j个自由度时，形成单点附加质量-桥梁系统，所述单点附加质量-桥梁系统的动力方程如式(5)：其中，和分别是单点附加质量-桥梁系统的第i阶角频率和第i阶振型，ΔM由式(6)所表征： ΔM＝ΔmuTu (6) 其中，u是1×N行向量，由式(7)所表征 u＝[u1…uj-1 uj uj+1…uN]＝[0…0 1 0…0] (7) 将单点附加质量-系统的第i阶角频率代入式(3)，并利用式(5)获得式(8)：将式(8)展开变换得到式(9)：将单点附加质量-系统的第i阶角频率代入式(4)，除第i阶模态外，忽略其它阶模态的影响，得到式(10)：利用式(9)、式(10)和质量归一化振型的特性，获得式(11)：式(11)表征了单点附加质量-桥梁系统第i阶角频率桥梁第i阶角频率ωi、附加质量Δm，以及与第j个自由度相对应的测点处的桥梁振型φi,j的物理关系；两轴车辆-桥梁系统为双点附加质量，基于双点附加质量：针对轴距为h的两轴车辆，前轴质量为mA，后轴质量为mB，且mA≠mB；定义第一测量位为：前轴位于测点a，2≤a≤T，后轴位于测点b，1≤b≤T-1，将第一测量位中两轴车辆-桥梁系统第i阶角频率记为定义第二测量位为：前轴位于测点b，后轴位于测点a，将第二测量位中两轴车辆-桥梁系统第i阶频率记为根据式(11)建立关系式如式(12)：其中，φi,a和φi,b分别为桥梁第i阶振型的测点a和测点b上的分量；将从左至右的第一次测试所获得的两轴车辆-桥梁系统的第i阶角频率记为将从右至左的最后一次测试所获得的两轴车辆-桥梁系统的第i阶角频率记为记为代入式(12)获得由式(13)所表征的桥梁第i阶角频率：其中，将式(13)所得的桥梁第i阶角频率ωi代入式(2)，完成桥梁频率的识别；利用桥梁第i阶角频率ωi，两轴车辆-桥梁系统第i阶角频率和以及车辆前轴质量mA和后轴质量mB，根据式(12)计算得到桥梁第i阶振型的测点a和测点b上的分量φi,a和φi,b。以此类推，得到所有测点的桥梁第i阶振型的分量，完成桥梁振型的识别。
所属类别：	发明专利