海洋平台结构物损伤检测与模型修正方法研究

摘要

海洋平台长期服役在恶劣的海洋环境中，并受到各种载荷的交互作用，结构容易产生各种形式的损伤，使结构的承载能力下降，严重的还会导致平台失效。发展有效的损伤检测技术对避免海洋平台灾难性事故的发生十分关键。海洋平台模型修正技术为动力分析、模态测试及损伤检测提供准确的有限元模型，也是一项非常关键的技术。 海洋平台结构发生损伤会导致模态参数随之变化，基于模态参数变化的损伤检测方法是公认的最具发展潜力的方法之一。损伤检测与模型修正都需要依据模态测试获取模态参数。在海洋平台模态测试中，测试自由度有限、转动自由度和水下部位测试难度大、精度低、成本高等的因素导致了实测模态信息空间不完备问题。该问题给海洋平台损伤检测与模型修正提出了更为严峻的挑战。本文以海洋平台为研究对象，做了以下三点创新性工作： 针对模态信息空间不完备问题，提出了基于CMCM和Guyan缩阶的迭代修正转换矩阵的方法。Guyan缩阶(静力缩阶)和SEREP转换矩阵分别作为模型缩阶和模态扩阶的转换矩阵，同时提出了转换矩阵迭代修正技术，用于获取更为准确的转换矩阵。通过1个简支梁结构和1个海洋平台结构的研究验证了基于CMCM和Guyan缩阶的迭代修正转换矩阵的方法，一定程度解决了模态空间自由度不完备情况下的损伤检测和模型修正，并获得理想的结果。 针对模态信息空间不完备问题，提出了非基于模型缩阶/模态扩阶概念的新方法，称为实测模型从自由度修正法(MMSDU)，进一步解决了实测模态信息空间不完备问题。通过一个5自由度质量弹簧系统展示新方法的具体应用过程；并通过一个海洋平台结构验证了该方法用于复杂结构损伤检测和模型修正的有效性和适用性。新方法的一个显著特点是可以做到在部分结点无主自由度的情况下，甚至在仅有实测频率条件下，做到对结构的模型修正和损伤检测。 针对复杂结构构件众多，主要模型修正参数不易选取的问题，提出了一种敏感度分析指标。对我国某现役海洋平台进行了构件敏感度分析和核心矩阵的奇异值分解，优化了修正参数选取，并据此对平台进行了模型修正和损伤检测。 本文将CMCM方法应用于海洋平台的模型修正与损伤检测，并通过两种不同途径：(ⅰ)CMCM结合Guyan缩阶迭代，(ⅱ)实测模型从自南度修正法，不同程度地解决了CMCM方法的模态空间自由度不完备问题，还提出了一种有效的敏感度分析指标。 主要研究结论有： (1)CMCM方法可以有效的利用有限的低阶模态参数，无需模态阶数配对和振型同比例要求，准确地修正海洋平台结构的刚度和质量，计算效率高，修正后模型保持了良好的物理意义； (2)CMCM方法在仅用有限的低阶模态条件下对海洋平台结构进行结构损伤柃测，可以做到判断损伤是否存在，诊断损伤位置，评估损伤程度同时完成； (3)针对模态空间不完备问题，所提出的基于CMCM和Guyan缩阶的迭代修正转换矩阵的方法用于海洋平台结构的损伤检测和模型修正是有效的，适用的； (4)所提出的实测模型从自由度修正法(MMSDU)，进一步解决了实测模态振型空间不完备问题。CMCM方法结合MMSDU方法可以做到部分结点无传感器，甚至在模态振型全不知的情况下，仅用模态频率信息，可以有效地、准确地进行模型修正和损伤检测； (5)通过一现役导管架海洋平台的敏感系数分析，可以优化选择模型修正参数，从而提高模型修正的效果。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 研究背景及意义

1.1.2 国内外研究现状

1.1.3 主要的技术难点分析

1.2研究内容

1.2.1 课题来源

1.2.2 主要研究工作

1.3创新点

1.3.1 主要创新点

第二章 理论基础与背景知识

2.1 多自由度线性无阻尼结构系统

2.1.1 自由振动解——模态特性

2.1.2 模态振型正交特性

2.2杆件结构力学问题的有限元方法

2.2.1 结构有限单元概论

2.2.2 质量弹簧系统与剪切结构系统

2.2.3 平面杆系结构

2.2.4 空间杆系结构

2.3模态参数识别方法

2.3.1 Ibrahim 时域法(ITD)

2.3.2 特征系统实现算法(ERA)

2.3.3 ARMA方法

2.4模型缩阶与模态扩阶技术

2.4.1 模型缩阶法

2.4.2 模态参数扩阶法

2.5模态匹配评价参数

2.5.1 模态置信度(MAC)

2.5.2 扩展模态置信度(EMAC)

2.5.3 模态相位共线性(MPC)

2.5.4 一致模态指标(CMI)

第三章 交叉模型交叉模态方法

3.1 引言

3.2交叉模型交叉模态方法(CMCM)

3.2.1 CMCM方法理论推导

3.2.2 CMCM方程求解

3.3模型修正问题

3.3.1 完全修正问题

3.3.2 部分修正问题

3.4 CMCM方法用于有限元模型修正

3.4.1 二维简支梁结构模型修正

3.4.2 三维框架结构模型修正

3.5小结

第四章 CMCM方法用于损伤检测

4.1 引言

4.2基于CMCM方法的损伤检测

4.3 Benchmark模型损伤检测研究

4.3.1 Benchmark问题捕述

4.3.2 Benchmark结构模型介绍

4.3.3 Benchmark有限元模型

4.3.4 单损伤工况

4.3.5 多损伤工况

4.3.6 损伤检测结果与其他方法比较

4.4导管架海洋平台损伤检测

4.4.1 平台结构描述

4.4.2 CMCM方法损伤检测过程描述

4.4.3 单损伤工况

4.4.4 多损伤工况

4.5 小结

第五章 模态空间不完备条件下CMCM损伤检测方法

5.1 引言

5.2 模态信息空间不完备下CMCM方法理论推导

5.2.1约束最小二乘法求最优解

5.2.2奇异值分解法(SVD)

5.3二维简支梁模型损伤检测

5.3.1 结构描述

5.3.2 简支梁损伤检测

5.4导管架海洋平台模型损伤检测

5.4.1 CMCM结合Guyan模型缩阶

5.4.2 CMCM结合Guyan模态扩阶

5.4.3 CMCM结合SEREP模型缩阶/模态扩阶

5.4.4 与模态应变能方法的比较

5.4.5 考虑测量误差的CMCM结合Guyan缩阶方法

5.4.6 敏感单元的数学和物理解释

5.5 小结

第六章 模态信息不完备下海洋平台模型修正新方法

6.1 引言

6.1.1 模型修正方法与不完备模态

6.1.2 CMCM方法的发展

6.2实测模型从自由度修正方法(MMSDU)

6.2.1 不完备模态信息的数学表示

6.2.2 实测模型从自由度修正方法推导

6.2.3 数学可解性分析

6.3 五自由度质量弹簧系统模型修正

6.3.1 全主自由度(信息空间完备)

6.3.2 部分主自由度(信息空间不完备)

6.3.3 一个主自由度(仅有频率信息)

6.3.4 修正部分刚度和部分质量(部分修正)

6.3.5 修正所有的刚度和质量(完全修正)

6.4某海洋平台结构模型修正

6.4.1检测部分单元的损伤程度

6.4.2修正所有单元刚度

6.5小结

第七章海洋平台构件敏感度分析及应用

7.1海洋平台介绍

7.2有限元模型建立

7.2.1有限元模型介绍

7.2.2特征值分析

7.3敏感度分析

7.3.1 构件敏感度系数定义

7.3.2构件敏感度分析

7.3.3CMCM核心矩阵奇异值分解(SVD)

7.4海洋平台模型修正

7.4.1 空间完备模态

7.4.2 空间不完备模态

7.5海洋平台损伤检测

7.5.1 空间不完备模态全局检测

7.5.2 频率信息诊断损伤程度

7.6 小结

第八章 结论与展望

8.1本文工作与结论

8.1.1主要工作总结

8.1.2主要研究结论

8.2主要创新点

8.3不足及研究展望

附录

参考文献

发表的学术论文

个人简历

致谢