基于Hilbert-Huang变换和随机减量技术的模态参数识别

傅里叶分析的信号处理方法对非线性、非平稳信号的处理能力差,传统的模态参数识别方法也存在阻尼比识别精度不高的问题。基于Hilbert-Huang变换和随机减量技术提出了一种新的、实用的模态参数识别方法,首先对结构振动信号进行滤波处理和经验模态分解,得到若干阶本征模态响应,然后利用随机减量技术提取自由衰减响应,进而由Hilbert-Huang变换得到信号的瞬时特性,最后结合模态识别的基本理论识别结构的模态频率和模态阻尼比。为了验证这一方法的有效性,对12层钢筋混凝土框架模型振动台试验一测点的加速度记录进行了处理,识别了模态参数,识别结果与其它识别方法及有限元分析结果的对比表明该方法识别模态频率是可靠的,而模态阻尼比识别的精准性仍然难以确认。     

随机子空间方法在桥塔模态参数识别中的应用

基于环境振动的结构模态参数识别方法正逐渐成为国内外研究的一大热点。环境振动方法就是仅仅利用结构测试的输出信号进行结构的模态参数识别,随机子空间方法就是其中的一种。随机子空间法是近年来发展起来的一种线性系统辩识方法,可以有效地从环境激励的结构响应中获取模态参数。它属于时域的方法,该方法不需要进行FFT变换,它不仅可以识别结构的频率,而且可以识别结构的阻尼和振型。文章首先介绍了随机子空间的理论,然后用该方法对正在施工中的南京长江三桥的南塔进行模态参数识别,通过与其他方法的识别结果进行比较,证明随机子空间方法不失为一种有效的模态参数识别方法。     

基于两阶段稳定图的随机子空间识别结构模态参数

基于振动的结构健康监测的前提是从振动测试信号中提取结构模态参数。随机子空间方法是近年来发展起来的一种线性系统辨识方法,可以有效地从环境激励的结构响应信号中提取结构模态参数。在随机子空间识别方法中,确定系统的阶数是该方法的关键工作,稳定图方法是一种比较新颖的确定系统阶次的方法。但是随机子空间方法容易产生虚假模态,这也是随机子空间方法的一个主要缺陷。因此针对于这一缺陷提出了一种基于两阶段稳定图的随机子空间识别结构模态参数方法,该方法的基本思想是将在现场采集的结构的输出信号进行分段,将各段信号用随机子空间结合稳定图进行识别,然后将所有各段所识别的模态参数再一次用稳定图方法进行分析,得出结构的模态参数。最后用一三跨连续梁的数值模型对该方法进行验证,结果表明该方法具有良好的识别效果。     

基于经验模式分解的随机子空间识别方法

提出了基于经验模式分解（EMD）的环境激励结构模态参数随机子空间识别（SSI）方法。该方法用设置间断频率的EMD将结构环境振动响应原始信号分解成若干个基本模式分量（IMF）,使每一个基本模式分量仅为结构的某一阶固有模态,进而用随机子空间方法进行模态参数识别。实桥环境振动实验分析结果表明,该方法能有效地避免结构各阶模态之间的相互影响,能够更清晰方便地得到结构的模态参数。     

改进曲率模态识别桥梁损伤位置方法研究

结构健康监测和结构状态评估的主要前提之一是结构损伤识别。基于曲率模态对结构局部损伤比较敏感和频率指标测试简单方便、精度高的特点,本文提出了一种以结构的曲率模态为基础,综合考虑频率的变化的改进的结构损伤识别方法。随机子空间方法是一种行之有效的基于环境激励的结构状态识别方法。该方法的主要优点是无需人工激励,不中断桥梁的运营。为此,论文提出了一种不中断桥梁运营的基于改进曲率模态的桥梁结构损伤识别方法。最后用一三跨连续梁的有限元模型对该改进方法进行了验证。结果表明,采用随机子空间结合改进的曲率模态方法可以在不中断桥梁运营的前提下有效地识别出桥梁的损伤状况。     

基于自然激励技术和FT时移特性的模态阻尼比识别方法

基于环境激励下结构动力响应信号分析与处理识别结构的模态参数,是结构健康监测和损伤诊断的一个重要环节,目前为止,要得到较为可靠的识别结果仍有一定困难,尤其是模态阻尼比。基于自然激励技术和傅里叶变换的时移特性,提出了一种新的结构模态阻尼比估算方法,通过理论推导和仿真算例验证了该方法的可行性,进而利用一刚构-连续组合梁桥在环境激励下的动力测试数据,通过该方法对其阻尼比进行了识别,并将识别结果与数据驱动随机子空间法的识别结果进行了对比。结果表明:提出的方法可以减轻噪声影响,得到可接受的识别结果,可为大型工程结构阻尼比的识别提供一个方便和有效的途径。     

基于连续小波变换的时变结构瞬时模态参数识别

为体现时变结构动力特性,定义随机冲击荷载作为时变结构输入激励,提出了基于连续小波变换的时变结构瞬时模态参数识别方法。在短时时变假定条件下,建立基于模局部极大值的连续小波变换时变参数识别原理,利用结构的输出响应进行瞬时模态参数识别,采用三自由度的时变结构体系进行数值模拟,该方法能够准确识别时变结构的瞬时模态参数值。通过设计具有质量参数可变的两层钢框架模型进行测试,验证了方法的有效性与可行性。     

基于HHT的非线性结构系统识别研究

本文研究基于HHT的多自由度非线性结构系统识别方法。首先通过EMD分解得到结构的非线性模态(NNM),然后对非线性模态进行H ilbert分析,识别出结构的瞬时特征参数(瞬时振幅、瞬时固有频率等),进而由各参数间关系识别出非线性结构的类型。最后通过一个具有非线性刚度的两自由度剪切型建筑结构的数值模拟验证了该方法的有效性。     

Morlet 小波用于环境激励下的模态参数识别研究

本文分别从卷积和Parseval定理的角度推导了非正交小波变换系数的实用计算方法。在环境激励下以互相关函数代替系统的自由响应数据,给出了基于Morlet小波变换的频率、阻尼比的参数识别方法,重点介绍了基于最小二乘法的振型识别技术。采用2层楼仿真算例和潮白河桥应用实例验证本算法,识别结果表明基于Morlet小波变换的模态参数识别技术能够有效地识别出环境激励下系统的模态参数。     

无填充墙基础隔震RC框架在环境激励下的动力特性

对一基础隔震钢筋混凝土框架结构在无填充墙情况下进行了环境激励下的动力测试,重点利用Hilbert-Huang变换与随机减量技术相结合的方法识别了其模态参数,并与随机子空间识别法、有理分式多项式法识别的结果进行了对比。识别结果表明在环境激励下,基础隔震结构的基本周期远小于多遇和罕遇地震工况下设计计算的基本周期;等效黏滞阻尼比很小,近乎于基础固定模型。对隔震层阻尼特性的分析表明,环境激励下可以将基础隔震结构视为经典的比例阻尼系统。进一步以识别的模态参数为基准,采用优化的方法数值反演了环境激励下该结构隔震层的实际水平等效刚度,结果表明其值为多遇地震下计算刚度取值的10.75倍。     

Structural modal parameter identification and damage diagnosis based on Hilbert-Huang transform

Traditional modal parameter identifi cation methods have many disadvantages,especially when used for processing nonlinear and non-stationary signals.In addition,they are usually not able to accurately identify the damping ratio and damage.In this study,methods based on the Hilbert-Huang transform(HHT) are investigated for structural modal parameter identifi cation and damage diagnosis.First,mirror extension and prediction via a radial basis function(RBF) neural network are used to restrain the troublesome end-effect issue in empirical mode decomposition(EMD),which is a crucial part of HHT.Then,the approaches based on HHT combined with other techniques,such as the random decrement technique(RDT),natural excitation technique(NExT) and stochastic subspace identifi cation(SSI),are proposed to identify modal parameters of structures.Furthermore,a damage diagnosis method based on the HHT is also proposed.Time-varying instantaneous frequency and instantaneous energy are used to identify the damage evolution of the structure.The relative amplitude of the Hilbert marginal spectrum is used to identify the damage location of the structure.Finally,acceleration records at gauge points from shaking table testing of a 12-story reinforced concrete frame model are taken to validate the proposed approaches.The results show that the proposed approaches based on HHT for modal parameter identifi cation and damage diagnosis are reliable and practical.     

Hilbert-Huang变换在密频结构阻尼识别中的应用

Hilbert—Huang变换是一种新的数据处理方法，由经验模分解(Empirical Mode Decomposition)技术及Hilbert变换两部分组成。本文研究此方法对于密频结构阻尼识别的应用。首先对于两自由度系统模型，说明该方法用于阻尼识别的步骤。进而研究存在频率密集现象的高层建筑的阻尼识别问题。上述结果与理论值及由半功率带宽法的识别值进行了比较，对比显示Hilbert．Huang方法较传统方法具有良好的识别密频结构阻尼的性能，适用于大型结构的系统识别。     

Output only modal identification and structural damage detection using time frequency ＆ wavelet techniques

The primary objective of this paper is to develop output only modal identifi cation and structural damage detection.Identif ication of multi-degree of freedom(MDOF) linear time invariant(LTI) and linear time variant(LTV—due to damage) systems based on Time-frequency(TF) techniques—such as short-time Fourier transform(STFT),empirical mode decomposition(EMD),and wavelets—is proposed.STFT,EMD,and wavelet methods developed to date are reviewed in detail.In addition a Hilbert transform(HT) approach to determine ...     

System identification of linear structures based on Hilbert–Huang spectral analysis. Part 1: normal modes

Based on the Hilbert–Huang spectral analysis, a method is proposed to identify multi‐degree‐of‐freedom (MDOF) linear systems using measured free vibration time histories. For MDOF systems, the normal modes have been assumed to exist. In this method, the measured response data, which are polluted by noises, are first decomposed into modal responses using the empirical mode decomposition (EMD) approach with intermittency criteria. Then, the Hilbert transform is applied to each modal response to obtain the instantaneous amplitude and phase angle time histories. A linear least‐square fit procedure is proposed to identify the natural frequency and damping ratio from the instantaneous amplitude and phase angle for each modal response. Based on a single measurement of the free vibration time history at one appropriate location, natural frequencies and damping ratios can be identified. When the responses at all degrees of freedom are measured, the mode shapes and the physical mass, damping and stiffness matrices of the structure can be determined. The applications of the proposed method are illustrated using three linear systems with different dynamic characteristics. Numerical simulation results demonstrate that the proposed system identification method yields quite accurate results, and it offers a new and effective tool for the system identification of linear structures in which normal modes exist. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于Hilbert-Huang变换的地震瞬时属性提取方法及应用(英文)

希尔伯特—黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)是一种新的适合非平稳和非线性信号的分析方法,由于地震信号一般呈现出非平稳与非线性特性,因此HHT非常适合地震信号的分析。本文首先介绍了HHT中关于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)的实现过程,在此基础上分析了几种基于EMD获得本征模态函数(Intrinsic Mode Functions,IMF)来计算瞬时频率的算法,其中利用了两个采样间隔瞬时频率的平均来计算瞬时频率,较好地反映了地震信号频率成分随时间变化的特征。将该方法应用于四川东北部某地区海相碳酸盐岩地层三维地震叠后偏移数据处理,提取"三瞬"地震属性,与传统的希尔伯特变换提取的"三瞬"地震属性进行对比,结果表明基于HHT的"三瞬"地震属性结果具有更高的分辨率,IMF2的瞬时相位能够较好地刻画台地边缘生物礁相,IMF2的瞬时频率亦具有较好的分带性。将IMF2的"三瞬"地震属性与钻井等资料结合分析,能够更好地识别沉积相的分布。