專利名稱：基于振動識別頻率和振型綜合的海洋平臺安全評定的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋平臺結(jié)構(gòu)安全評定的方法，尤其涉及一種基于振動識別頻率和振型綜合的海洋平臺安全評定的方法。屬于海洋石油工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
海洋平臺結(jié)構(gòu)是海上石油資源開發(fā)的重大基礎(chǔ)性設(shè)施，同時，也是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地。海洋平臺結(jié)構(gòu)長期服役在惡劣的海洋環(huán)境中，同時受風(fēng)、浪和流等疲勞荷載長期作用，抗力衰減非常明顯。一旦發(fā)生事故損壞不僅會造成重大的經(jīng)濟損失與人員傷亡，還將可能造成嚴重的環(huán)境污染和社會政治影響。因此，對海洋平臺結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測、檢測并評定其安全性、保證其運營的安全性是十分必要的。為了掌握海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全狀況，首先必須對其進行無損檢測?，F(xiàn)有的無損檢測的方法主要包括目測、超聲檢測、磁粉、聲發(fā)射(FMD)等，這些檢測均屬于對結(jié)構(gòu)局部損傷檢測的方法；其特點是只能檢測局部損傷、且還要求特殊的測試設(shè)備及專業(yè)技術(shù)人員。因此，這些方法對海洋平臺的檢測不太方便，并且檢測費用昂貴。針對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)無損檢測方法存在的不足，最新發(fā)展了基于振動測試的便攜式無損檢測方法，這種方法簡單、成本較低，同時根據(jù)振動測試的加速度信息可以計算結(jié)構(gòu)整體模態(tài)參數(shù)，即頻率和振型。但是，基于這種檢測方法的安全評定還需通過參數(shù)識別技術(shù)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)損傷診斷方法識別結(jié)構(gòu)損傷的位置和程度，進行有限元模型修正，且在此基礎(chǔ)上，再進行結(jié)構(gòu)安全評定。而基于有限元模型的結(jié)構(gòu)損傷識別方法主要有基于殘余力向量的結(jié)構(gòu)損傷識別方法、特征對靈敏度法，應(yīng)變能量法等，其中，基于殘余力向量的結(jié)構(gòu)損傷識別方法是從殘余力方程出發(fā)來進行損傷識別，在獲取殘余力向量時需要完整的振型，對于測量不完整的情況則必須進行模型縮聚或振型擴展。特征對靈敏度法(頻率或振型)本質(zhì)上是對結(jié)構(gòu)振動方程作了一階近似的線性處理，由一階靈敏度(特征對對結(jié)構(gòu)單元參數(shù)的導(dǎo)數(shù))方程求解損傷程度。應(yīng)變能量法是把振型與結(jié)構(gòu)單元剛度矩陣的二次型定義為單元應(yīng)變能量，發(fā)生損傷的單元其應(yīng)變能量的變化最大，據(jù)此，便可判定損傷位置，再通過分析應(yīng)變能量的靈敏度即可求解損傷程度。上述這些方法的一個共同特點是需要用到完整的振型及完備測量，否則，需進行模型縮聚或振型擴展。由于模型縮聚或振型擴展帶來的誤差，所以，降低了結(jié)構(gòu)損傷識別的精度。目前，由于受人工激勵實施比較困難、環(huán)境噪聲較大、且完備測量測點布置比較困難等因素影響的限制，基于振動檢測數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)損傷的診斷在實際工程中應(yīng)用還十分困難。

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，而提供一種基于振動識別頻率和振型綜合的海洋平臺安全評定的方法，其可以直接基于診斷振動檢測數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)參數(shù)定義及安全評定參數(shù)進行平臺結(jié)構(gòu)的安全評定，解決了基于振動檢測結(jié)合結(jié)構(gòu)損傷診斷方法中難以進行的結(jié)構(gòu)損傷診斷及實際工程結(jié)構(gòu)安全評定困難的問題；克服了常規(guī)基于振動檢測損傷診斷安全評定方法在實際工程應(yīng)用中受環(huán)境激勵、噪聲影響、完備測量影響大的不足；同時，針對我國目前大量海洋平臺需要檢測維修的情況，具有廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種基于振動識別頻率和振型綜合的海洋平臺安全評定的方法，其特征在于:采用以下步驟:第一步:建立未損傷結(jié)構(gòu)的有限元模型，作為基準有限元結(jié)構(gòu)模型；第二步:對損傷結(jié)構(gòu)進行振動測試，識別損傷結(jié)構(gòu)的前m階模態(tài)頻
權(quán)利要求
1.一種基于振動識別頻率和振型綜合的海洋平臺安全評定的方法，其特征在于:采用以下步驟: 第一步:建立未損傷結(jié)構(gòu)的有限元模型，作為基準有限元結(jié)構(gòu)模型； 第二步:對損傷結(jié)構(gòu)進行振動測試，識別損傷結(jié)構(gòu)的前m階模態(tài)頻率COdi (i=l,..., m)和振型
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動識別頻率和振型綜合的海洋平臺安全評定的方法，其特征在于:所述第一步中，基準有限元結(jié)構(gòu)模型以K和M表示，即:未損傷結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和未損傷結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣，其特征值表示為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動識別頻率和振型綜合的海洋平臺安全評定的方法，其特征在于:所述第二步中，識別損傷結(jié)構(gòu)的m階模態(tài)頻率= 具體步驟如下: (1)、利用傳感器測量結(jié)構(gòu)物損傷后的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲入存儲器中； (2)、從存儲器中讀取存儲的加速度信息，利用模態(tài)參數(shù)識別方法識別其有限的低階模態(tài)頻率作為損傷結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率(/ = l,...,m)0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于振動識別頻率和振型綜合的海洋平臺安全評定的方法，其特征在于:所述第三步中，服役損傷平臺結(jié)構(gòu)的整體安全狀態(tài)評定的具體步驟為: (1)采用計算模態(tài)置信度矩陣的方法選取第η階振型作為合適的模態(tài)參數(shù)； (2)將損傷結(jié)構(gòu)指數(shù)定義為:服役損傷平臺結(jié)構(gòu)第η階振型廣義剛度與未損傷平臺結(jié)構(gòu)第η階振型廣義剛度的變化率，也即是:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于振動識別頻率和振型綜合的海洋平臺安全評定的方法，其特征在于:所述平臺結(jié)構(gòu)安全評定特征參數(shù)選擇原則是:(I)當(dāng)平臺結(jié)構(gòu)完好沒有損傷時，平臺結(jié)構(gòu)的Kdl和Kfl相等，平臺整體損傷指數(shù)等于零； ⑵當(dāng)平臺結(jié)構(gòu)損傷嚴重時，平臺結(jié)構(gòu)的Kdl則越小，平臺整體損傷指數(shù)則越大；⑶平臺結(jié)構(gòu)整體承載能力與結(jié)構(gòu)整體剛度`密切相關(guān)，當(dāng)平臺結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)損傷時，則該局部的平臺結(jié)構(gòu)剛度降低，從而平臺結(jié)構(gòu)的整體剛度降低，因此，結(jié)構(gòu)承載能力也降低； (4)根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)計算公式，可知結(jié)構(gòu)整體剛度變化，則平臺結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)也隨之變化； (5)通過上述平臺結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)計算過程可知，涉及的平臺結(jié)構(gòu)第一階固有頻率和振型都可以通過在平臺上布置加速度傳感器通過其測試數(shù)據(jù)識別獲得； (6)通過上述平臺結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)計算過程可知，所有涉及的中間參數(shù)都可以通過計算獲得。
全文摘要
一種基于振動識別頻率和振型綜合的海洋平臺安全評定的方法，采用以下步驟一建立未損傷結(jié)構(gòu)的有限元模型，作為基準有限元結(jié)構(gòu)模型；二對損傷結(jié)構(gòu)進行振動測試，識別損傷結(jié)構(gòu)的前m階模態(tài)頻率ωdi(i=1,…,m)和振型，作為實測模態(tài)參數(shù)；三對服役損傷平臺結(jié)構(gòu)的整體安全狀態(tài)進行評定。本發(fā)明可以直接基于診斷振動檢測數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)參數(shù)定義及安全評定參數(shù)進行平臺結(jié)構(gòu)的安全評定，解決了基于振動檢測結(jié)合結(jié)構(gòu)損傷診斷方法中難以進行結(jié)構(gòu)損傷診斷及實際工程結(jié)構(gòu)安全評定困難的問題；克服了常規(guī)方法在實際工程應(yīng)用中受環(huán)境激勵、噪聲影響、完備測量影響大的不足；具有計算效率高、適用性強、物理意義明確等特點。
文檔編號G01N29/44GK103076394SQ201310003588
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者李志剛, 柯呂雄, 鄒道標, 陳祥余, 周道成, 趙雪峰, 周雷, 孟元棟, 王巍巍, 張傳杰 申請人:中國海洋石油總公司, 海洋石油工程股份有限公司, 中海石油(中國)有限公司湛江分公司, 大連理工大學(xué)