1構造動力特性的測試方法及應用(講稿)一.概述n個自由度的構造體系的振動方程如下： Cy

M

CK

分別為構造的總體質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣，均為n維矩陣；pt為外部作用力的nyt為位移響應的nt為速度響應的n維隨機過程列陣；t為加速度響應的n維隨機過程列陣。表征構造動力特性的主要參數是構造的自振頻率〔其倒數即自振周期、振型Y(i)阻尼比，這些數值在構造動力計算中常常用到。任何構造都可看作是由剛度、質量、阻尼矩陣〔統稱構造參數〕構成的動力學系統，破損，進而提出修復方案，現代進展起來的“構造破損診斷”技術就是這樣一種方法。其最地完成構造破損的在線監測與診斷。從傳感器測試設備到相應的信號處理軟件,振動模態測〔參數等。目前，很多國家在一些已建和在建橋梁上進展該方面有益的嘗試。確定各共振頻率下構造的振型和對應的阻尼比。傳遞函數法是用各種不同的方法對構造進展鼓勵〔如正弦鼓勵、脈沖鼓勵或隨機鼓勵等〕,測出鼓勵力和各點的響應，利用專用的分析〔包括振型、頻率、阻尼比。脈動測試法是利用構造物〔尤其是高柔性構造〕在自然環境振源〔如風、行車、水流、地脈動等〕的影響下，所產生的隨機振動，通過傳感器記錄、經譜分析，求得構造物的動力特性參數。自由振動法是:通過外力使被測構造沿某個主軸方向產生肯定的初位移后突然釋放，使之產生一個初速度，以激發起被測構造的自由振動。尼比,但其缺點是，承受單點激振時只能求得低階振型時的自振特性，而承受多點激振需較于尺度很大的實際構造要用較大的鼓勵力才能使構造振動起來數，這在實際測試工作中往往有肯定的困難。年來隨著計算機技術及FFT理論的普及而進展起來的，現已被廣泛應用于建筑物的動力分〔脈動卓越周期，反響了不同地區地質土壤的動力特性對構造模態參數〔固有頻率、振型、阻尼比等〕進展識別。通常斜拉橋的環境隨機振動檢測往往是在限制交通的狀況下進展的的振動檢測往往在橋梁運營的前期進展熟的理論和實踐支持，目前的成果僅停留在通過測試車輛對橋梁的振動響應來求算沖擊系數。然而，對斜拉橋進展安康監測、破損診斷，必需提取運營期間的動力指紋，安康監測占用時間長〔全天候的，因此無法限制交通；振動監測應當真實反映橋梁實際狀態下固有的振動特性，限制交通無法反映這種真實的狀態。因此，承受車輛振動作為振源，進展斜拉橋模態參數識別成為將來安康診斷的必定趨勢。測試方法很多，下面只介紹常用的方法。二.穩態正弦激振法〔掃頻法〕穩態正弦激振法是使用最早至今仍被廣泛應用的的方法。其特點是原理簡明，分析方法通常在試驗室中應用于模型或體積較小的原型試驗測試。此種方法的試驗步驟為：沿被測設備的主軸方向，將起振機或激振器安裝在適當的加〔〕的穩態迫振反響幅值對激振頻率的曲線，稱共振曲線。根本原理P0sint作掃描時，如設備的各階自振頻率并不密集時，可略去其相鄰振振曲線相像，對于i階頻率，兩者僅差一個稱作振型參與系數iu可表示為

〔常數。位移的反響幅值P 2

1 Pu 0 a2K

2a2

0 〔1〕K式中a為頻率比，即迫振頻率f和設備無阻尼自振頻率f 之比；為動力放大系數，表示0單自由度體系中動靜位移幅值比；K為被測設備〔試件〕的剛度；為被測設備〔試件〕的阻尼比。相位滯后角可表示為tan

2a1a2

〔2〕P0

/KP0

sint作用下被測設備〔試件〕的靜態位移。假設試驗是在P0

m2ug

，2ug

u

為測點對臺面的g相對位移反響值，m為被測質點質量。分析方法由對應位移反響峰值u 的頻率可求得被測設備的自振頻率f將對應f的各測點max 0 0的位移反響值按其中的最大值歸一化，并考慮相互間的相位關系〔與最大值同相或反向即可求得被測設備的振型。進一步可從共振曲線確定振型阻尼比。由〔1〕式知，動力放大系數為 2

11a2

2a2

2 〔3〕可以解得其峰值

max

和對應的頻率比a ，即 max

2

1 〔4〕12122a f /fm m

2 〔5〕一般鋼構造的阻尼比值都很小所以可近似地從無阻尼共振狀態a 1時的動力放大0系數 1/2求得阻尼比為0 1 〔6〕2實際上直接按式〔6〕求阻尼比值是很困難的，由于對作為多自由度體系的實際構造，從其實測共振曲線求動力放大系數X主軸向振動時的振型參與系數 為x x n

nmxi ix1 m x2y2z2i i i ii1xyzx，y，zmi點的質量。i i i i難以簡潔算出；并且在用激振器等激振時，構造在力P0

P0

/K也是未知的。因此，不能直接從共振曲線求得動力放大系數。2目前通常都承受半功率法或帶寬法，從實測的共振曲線直接求得阻尼比值。這個方法的原理如下。2u

u

/max

max

〕的兩點。在這兩點處，輸入功率為共振頻率時的一半，其相應的頻率比，可將u /2代入式〔1〕左端解得。max由于u

1

，故得12

11a21

2

22

〔8〕解此方程得出頻率比a為12a21212

〔9〕當阻尼比很小時，2<<1，式〔9〕右端其次項根號中的21相比可以略去。從而可得a21222，a21 2

1222

〔10〕 或者 f21

f 0

，f22

f 0由此 f22由于 f0

f21f1

4f0umaxumax0.707umaxff f1 0 2共振曲線22所以

f f2

ff f 2f2 1 0式中 ff f2 1明顯，用半功率法求阻尼比的精度取決于半功率范圍內共振曲線的精度，并限于值很小的狀況下。留意事項用諧波迫振法確定構造的動力特性時，需要留意以下幾點：為保證共振曲線的測試精度，對于自振頻率低的構造宜承受位移反響共振1倍頻程/分。即每分鐘頻率的變化不超過1倍。在被測構造很大時，留意激振器基座的穩定、局部振動的影響，激振系統的自振頻率肯定要遠離被測構造的頻率，以削減動態耦合影響。當構造的各階自振頻率比較密集，振型間的耦合較嚴密時，用用上述簡潔的方法已不再適合，需要承受模態識別技術進展分析。三.自由振動法自由振動法在現場和室內試驗都可應用，起主要原理是:通過外力使被測構造沿某個主軸方向產生肯定的初位移后，突然釋放。或者借助瞬時沖擊荷載,使之產生一個初速度,以激由衰減振動。從而可以簡捷地直接求得被測構造的根本振型頻率f和阻尼比，通過同一0的簡諧運動，其自振周期T或自振頻率f可以很便利地從時程曲線中獲得。通常取相隔m1 1周的反響波峰計算阻尼比的近似值： 12m

ln un uunm海上平臺及一般鋼構造通常取0.05四.隨機測試法隨機測試法是利用被測構造對隨機振動源的反響，按隨機振動理論分析其動力特性。地面振動〔即地脈動。室內試驗一般承受對振動臺或激振器施加白躁聲信號。地脈動的主要特點：由于地脈動無固定振源，其影響因素眾多，且不斷變化，因而具有完全的隨機性，是在足夠長時間的一次取樣過程中就包含體系樣本總體的全部統計特征。地脈動為微幅振動，其最大振幅一般不超過1mm，頻帶較寬，包含從0.1秒到數十秒大作用，在其反響中突出了設備或構造本身的動力特性。白躁聲隨機波所謂白躁聲隨機波是由無限多個等能量的頻率重量組成的平穩各態歷經隨機過程含無限多個頻率重量的抱負白躁聲隨機波度的有限帶寬白躁聲隨機波。利用地脈動測定設備或構造動力特性時應留意的問題：排解某些特別的干擾因素，保證地脈動的隨機性。，分析時要留意推斷。一般，被測設備或構造的共振反響要比地基共振反響顯著得多。測試儀器要有足夠的靈敏度和穩定性。此外，在這些微幅振動下測出的阻尼比往往偏低。五數據采集根本學問對于一些試驗爭論，需要把傳感器輸出的模擬電壓或電流信號轉換為數字量，輸入到A/D”Vib”SYS采集儀、USB數據采集儀、數字式應變儀等。數據采集設備的主要技術指標是其總采樣頻率、區分率等。數據采集系統根本構成：傳感器傳感器抗干擾濾波器模擬放大器數據采集器計算機抗干擾濾波器〔被測信號幅值大于噪聲信號幾倍以上Vi”SYS程序的數〔噪聲信號幅值接近被測信號幅值或大于被測信號幅值，用ViSYS所以應考慮使用模擬抗干擾濾波器，使用模擬抗干擾濾波器可以把噪聲信號在A/D轉換之前濾掉。數據采集噪聲我們要清楚，任何A/D轉換自身都有肯定的噪聲信號，固然，噪聲信號越小越好，那么如何知道采集儀的噪聲信號有多大呢？首先把采集儀的一個通道短接看采集的數據的峰值，既可知道采集儀的本底噪聲。數據采集增益依據用戶的需要，各種采集卡、采集儀可選擇程控增益，一般程控增益為1、2、4、8、16倍，采集儀的程控增益不要太大(1、10、100、1000倍)，由于采集儀有肯定的本底噪擇其他模擬放大器。同步數據采集由于多數數據采集卡、數據采集儀的工作方式承受一個A/D模數轉換芯片，所以多通道采集是挨次進展的，那么，各通道之間都有肯定的相移，相移的大小可以按下式估量：

1

[單位：秒]當該相移不能滿足試驗要求時，可選用采樣保持器〔采保，即在采集卡、采集儀加配本錢。數據采集精度數據采集設備的區分率的凹凸能打算模數轉換的精度，采集設備的轉換精度與其A/D的區分率之間的關系：A/D16Bits(16位)12Bits(12位)比照，當其最大量程都為10伏時，轉換精度對應關系是：模擬輸入 16位模數轉換數字量 12位模數轉換數字量──────────────────────────────+10伏 32767 20480〔對應于〕00-10-32767-2048──────────────────────────────轉化精度 0.000305伏 0.00488伏11610/327680.000305伏；12位模擬量10/40960.00488伏。可以看出，16位A/D12位A/D16倍。示波Vib”SYS〔通道〕示波程序，示波程序具有以下功能：可同時顯示兩個通道的模擬信號；示波程序同時可顯示兩個通道信號的最大值；假設采集儀內置了程控增益，示波程序還可選擇程控增益；標大小，使小信號或大信號能滿窗口顯示。可選擇示波采樣頻率和示波時間；波形顯示的頻率和時間的選擇可影響波形的刷速度。示波顯示時間越短波形顯示刷越快；采樣頻率高，采集的數據點數多，也會使顯示速度減慢。數據采集數據采集方式：直接(手動)數據采集這種采集需要建立采集文件、輸入采集頻率(Hz)、采集時間(Sec)、采集開頭通道、采集完畢通道和程控增益參數，當試驗就緒以后，按“開頭采集”按鈕開頭采集，采集過程將持續假設干秒(采集時間參數)。峰值觸發采集這種采集需要建立采集文件、輸入采集頻率(Hz)、每次觸發的采集時間(Sec)、采集開頭通道、采集完畢通道、程控增益、觸發峰值(電壓：伏)、觸發峰值掌握通道和是否選擇屢次觸發參數，當試驗就緒以后，按“開頭觸發采集”按鈕開頭等待采集，當模擬那么采集連續等待下次觸發采集。選擇屢次觸發采集可應用于連續錘擊試驗數據采集，這樣可只采集觸發后的信號，去掉多余的信號采集。觸發采集還承受了“不丟頭”技術，既觸發峰值到達或超過觸發[采集留意事項]1當某通道的模擬輸入幅值超過采集的最大量程時，會引起其它采集通道工作不正常。當輸入幅值太大時，還會燒毀采集卡或采集儀。2〔輸入信號至少要大于噪聲幾倍。當模擬輸入信號的噪聲比較大時，有時甚至大于被測信號，雖然Vib”SYS程序有噪聲信號的頻率。這時要考慮選用模擬抗干擾濾波器。3A/D模數轉換芯片的最高轉換速度，采集儀的轉換速度與計算機的速度、并口或USB接口的傳輸速度有關，實際A/D的轉換速度要根據測試結果確定。轉換采集數據挨次存放，而Vib”SYS程序的時域文件構造是按數據塊存放的，兩者完全不同，所以必需把采集的數據經轉換后才能供Vib”SYS程序使用。.AViSYS.TIViSYS程序對文件的擴展文件名是.TIMVib”SYS程序不對采集的數據文件(擴展文件名是.AD)了采集的數據后，想恢復原始數據時，重轉換數據〔把.AD文件轉換為.TIM文件。采集數據文件標定〔濾定〕數據采集是把傳感器輸出的電壓或電流信號經A/D轉換為數字信號，對于未標定的采集數據，幅值單位是電壓〔伏。對采集數據文件標定的目的是把其電壓單位轉換為實際的工程單位，這樣才可對數據進展進一步的分析和處理。在標定之前，需要知道采集的傳感器的輸出量與電壓的對應關系，我們稱為標定系數，〔被測量為加速度：1：用標準設備標定把被測加速度計放到標準試驗臺上，用試驗臺輸出1g的正弦波，然后采集數據，設采0.72伏，那么，標定系數為：C=1g/0.72Volt=1.39g/Volt方法2：依據靈敏度系數標定1.56Volt/g，那么，標定系數為：C=1/1.56=0.64g/Volt標定過程：建立標定系數文件→標定系數文件名.CAL↓標定數據文件→時域數據文件名.TIM 〔坐標單位：伏〕↓時域數據文件名.TIM 〔坐標單位：工程單位〕建立標定系數文件選擇菜單：信號采集建立標定文件擴展名為：.CA