基于模態(tài)應變能的海洋平臺結構損傷識別方法研究

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1、楊風艷，等：基于模態(tài)應變能的海洋平臺結構損傷識別方法研究基于模態(tài)應變能的海洋平臺結構損傷識別方法研究楊風艷1楊永春2(1．海洋石油工程(青島)有限公司設計部青島266520)(2．中國海洋大學工程學院青島266100)摘要：提出了一種基于模態(tài)應變能的結構損傷識別方法，該方法僅利用結構損傷前后的前三階模態(tài)參數(shù)來確定結構的損傷定位因子和損傷程度評估因子，實現(xiàn)對結構損傷的識別．以某一固定式鋼質導管架海洋平臺物理模型為實驗對象，通過松動其法蘭接頭上的螺栓采模擬導管架裂縫時的4種不同損傷工況，并采用橡膠頭力錘激勵方式獲取結構振動響應信號

2、，然后用對響應信號進行模態(tài)參數(shù)識別得到的前三階模態(tài)參數(shù)，對該方法的有效性進行了驗證，驗證結果表明，應用本文所提的損傷定位因子和損傷程度評估因子可較為準確的實現(xiàn)損傷定位，相應的損傷程度評估結果與實際損傷工況符合程度較好，且該方法簡便易行，具有一定的實際應用價值．關鍵詞：結構振動無損檢測損傷識別模態(tài)應變能工程結構如高層建筑、大型橋梁和海洋平臺等在其服役環(huán)境中受到設計載荷的作用以及各種外界因素的影響將不可避免地產生損傷積累、抗力衰退而影響結構的使用壽命，甚至會導致突發(fā)事故的發(fā)生。因此，結構健康監(jiān)測與損傷識別，對避免災難性事故的發(fā)生有

3、著重要意義。經過幾十年的研究，人們提出了各種各樣的無損檢測方法，其中包括：x射線，Y射線，光干涉，超聲波方法等結構局部損傷檢測方法，而這些技術僅可用于損傷區(qū)域已知的情況，此外由于損傷情況的復雜性，這些實驗裝置在施工現(xiàn)場實際應用中受到限制。因此，這些方法對于大型復雜結構的無損檢測是不方便的，并且是昂貴的。與上述物理方法相比，基于振動測試的全局無損檢測方法[1~31則相對簡單、成本較低，該方法的工作原理為利用結構振動的實測數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)參數(shù)識別技術判斷結構動力參數(shù)的變化，從而判定結構是否有損傷、損傷的位置和程度¨】。通常將結構所識

4、別模態(tài)參數(shù)損傷前后相應值之間的顯著差異作為有損傷的標志，并建立損傷與結構參數(shù)的關系，確定損傷的部位和程度。其最突出的優(yōu)點是可在環(huán)境載荷激勵下進行振動測試崎1，整個損傷診斷過程不會影響結構的正常工作，而且環(huán)境激勵下的振動測試使得在線監(jiān)測成為可能。從基于振動測試的結構無損檢測方法的文獻綜述中№J，可以看到大多數(shù)方法在實際應用中存在一些局限，如：需要質量歸一化的振型、完備的模態(tài)信息、高階模態(tài)參數(shù)等。針對上述局限性，本文提出一種新的基于模態(tài)應變能的結構損傷識別方法，該方法僅利用結構損傷前后的前三階模態(tài)參數(shù)即可對損傷結構進行定位和損傷狀

5、況評估，不需要質量歸一化的振型，僅僅利用結構損傷前后的前三階模態(tài)振型即可，也不需要解復雜的結構系統(tǒng)方程。試驗驗證結果表明，該方法對結構的損傷定位和損傷程度的評估都有很好的診斷結果，且不需要解復雜的結構系統(tǒng)方程，計算簡便，具有一定的實際應用價值。1．理論推導對于一個有n個單元和m個節(jié)點的線性結第一作者：楊風艷，女，1977年12月出生，助理工程師’2008全國鋼結構學術年會論文集[2008·lO]設計分析計算篇構，結構損傷前后的第f階模態(tài)應變能分別定義為：MSE,=≯jK≯，和MSE；=≯；7K?！?；(1a，b)上標“，I：”表

6、示結構損傷，砂r是第f階振型，K和K+是結構損傷前后系統(tǒng)的剛度矩陣。結構損傷前后第j單元關于第i階模態(tài)單元應變能分別定義為：MSEu=妒i島≯z和MSE；=矽y足j≯；(2a，b)式中島和七j分別為結構損傷前后第．『個單元的剛度矩陣，它們分別可寫為：kj=Bkjo和k；=E；kjo(3a，b)式中E』和E；分別表示結構損傷前后第，個單元的材料剛度特性參數(shù)，七∞是僅僅包含幾何信息的單元剛度矩陣。把方程(3)代入方程(2)得：MSEu=YuEi秘MSE；=MSEu+AMSEu=yT：E；(4a’b)式中：y∥=≯ikjo≯t，y；

7、=妒；7如妒；。由方程(4)得：AMSEu=y；(己+4日)一y口日(5)因為系統(tǒng)整體剛度矩陣是由系統(tǒng)的各個單元剛度矩陣在整體坐標系下的集成，即：K=∑島(6)，=1式中聊為結構的單元總數(shù)，把式(3a)和式(6)帶入式(1a)中，得：A愿邑=∑≯i日‰驢r≈yr己(7)式中：yf=∑≯tT‰妒r，在大部分工程結』=I構中，結構各構件所用材料E值相同，此時MSE,-'-yiEi。方程(5)兩邊同除以觚得：盎AEj=㈤／／(鉻+絲yi)目+一＼yt／＼A觚’／(8)Gudmunson在文獻n1中根據(jù)一階攝動理論推導了當結構發(fā)生損傷

8、時結構模態(tài)應變能變化與固有頻率變化的關系：鐙蘭譬㈤麗2百w7假設結構只在一個單元發(fā)生損傷，則AMSEo=AMSEi(當結構在，ld個單元處發(fā)生損傷時，AMSEo≈AMSEg／nd)。把方程(9)代入方程(8)可得：肛每5刑赫㈣)令：腳；’=e}；ejkjo≯；，方程(10)分