[發(fā)明專利]基于頻率變化的結(jié)構(gòu)損傷定位與損傷程度的評(píng)估方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210260183.1
• 申請(qǐng)日: 2012-07-25
• 公開（公告）號(hào): CN102759573A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李志剛;王樹青;李華軍;陳祥余;王喆;鄒道標(biāo);石湘;劉福順;張敏;孟元棟;李英超;高志強(qiáng);王巍巍;孫貞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國海洋石油總公司;海洋石油工程股份有限公司;中國海洋大學(xué);中海石油（中國）有限公司湛江分公司
• 主分類號(hào): G01N29/12
• 分類號(hào): G01N29/12
• 代理公司: 天津三元專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 12203
• 代理人: 高鳳榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)損傷定位與損傷程度評(píng)估的方法，尤其涉及一種可以利用損傷結(jié)構(gòu)實(shí)測的低階頻率來確定結(jié)構(gòu)的損傷位置，并評(píng)估損傷的嚴(yán)重程度的基于頻率變化的結(jié)構(gòu)損傷定位與損傷程度的評(píng)估方法。屬于海洋石油工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)

海洋平臺(tái)等大型工程結(jié)構(gòu)在其服役期間損傷是不可避免的，而確保結(jié)構(gòu)安全的唯一方法是盡早確定出結(jié)構(gòu)的損傷位置，并對(duì)損傷的程度進(jìn)行評(píng)估，以便進(jìn)行及時(shí)的維修加固。

目前，對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷的檢測方法主要包括：目測和超聲、磁粉、聲發(fā)射等局部無損檢測方法等。然而，由于較弱的視覺觀測條件以及損傷部位有可能被海生物覆蓋等原因，阻礙了目測的效果。此外，上述方法中技術(shù)要求結(jié)構(gòu)的損傷區(qū)域是以已知作為先決條件，要求配備特殊額外的測試設(shè)備和專業(yè)人員。因此，上述方法對(duì)海洋平臺(tái)的檢測不太方便，并且檢測費(fèi)用昂貴。

與上述方法相比較，基于振動(dòng)測試的結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)是相對(duì)簡單、成本較低的，被公認(rèn)為是較有發(fā)展前景的全局性損傷檢測方法。這種方法的基本原理是：損傷將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剛度發(fā)生改變，因而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)(如結(jié)構(gòu)的頻率、振型等)的變化，所以，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)能夠作為結(jié)構(gòu)損傷診斷的指標(biāo)，用于判定結(jié)構(gòu)是否有損傷發(fā)生，并進(jìn)而評(píng)估損傷的嚴(yán)重程度。這類方法最突出的優(yōu)點(diǎn)是利用環(huán)境激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)測試進(jìn)行損傷診斷，整個(gè)損傷診斷操作過程不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常工作，能方便地完成結(jié)構(gòu)損傷的在線檢測和評(píng)估。

結(jié)構(gòu)的損傷診斷包括四個(gè)層次：

(1)判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷(損傷識(shí)別)；

(2)確定結(jié)構(gòu)的損傷位置(損傷定位)；

(3)評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷程度(損傷程度評(píng)估)；

(4)結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測。

基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化的損傷診斷方法經(jīng)過多年發(fā)展，研究人員提出并發(fā)展了許多方法，但大都集中在一、二層次。可以同時(shí)進(jìn)行損傷定位和損傷程度評(píng)估的研究成果較少，而且，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)存在一定的局限性如下：

(1)需要高階的模態(tài)信息：由于激振荷載的頻率范圍和識(shí)別技術(shù)等方面的原因，一般很難得到高階模態(tài)信息；

(2)需要完備的模態(tài)信息：由于傳感器數(shù)量的限制和某些自由度信息(如轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)難以量測，實(shí)際測試得到的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)是不完備的；

(3)需要質(zhì)量歸一化的陣型信息：對(duì)環(huán)境荷載激勵(lì)下僅利用輸出響應(yīng)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，其識(shí)別得到的振型無法質(zhì)量歸一化。

如何克服這些缺點(diǎn)，僅利用識(shí)別得到的有限的低階模態(tài)信息進(jìn)行損傷檢測，是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)，而提供一種基于頻率變化的結(jié)構(gòu)損傷定位與損傷程度的評(píng)估方法，其不需要結(jié)構(gòu)的振型信息，僅利用結(jié)構(gòu)損傷前后的有限的低階頻率信息即可準(zhǔn)確地進(jìn)行損傷定位和損傷程度評(píng)估；適用于單損傷、多種損傷工況，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于頻率變化的結(jié)構(gòu)損傷定位與損傷程度的評(píng)估方法，其特征在于：采用以下步驟：

第一步：建立末損傷結(jié)構(gòu)的有限元模型，作為基準(zhǔn)有限元模型；

第二步：對(duì)損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測試，識(shí)別損傷結(jié)構(gòu)的m階模態(tài)頻率ωi*(i=1,...,m);]]>

第三步：對(duì)損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷程度評(píng)估；

第四步：對(duì)損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷位置確定。

所述第一步中，基準(zhǔn)有限元模型以K和M表示，即：未損傷結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，其特征值表示為