海洋平台结构损伤诊断方法研究

摘要

大型土木工程结构(如海洋平台)具有尺寸大、质量重、自振频率较低和振动不显著等特点，其动力响应极易受到不可预见的环境状态、非结构因素等的影响，这使得结构的损伤诊断和健康监测具有很大的挑战性，是近年来国际上研究的热点。 基于振动测试的大型结构无损检测技术是国内外专家公认的较有发展前景的健康监测技术。然而，与陆地结构相比海洋平台其结构复杂、体积庞大、造价昂贵，所处的海洋环境十分严酷；此外，人工激励不易施加，环境载荷激励不易测试，这给海洋平台结构损伤诊断提出了更严峻的挑战。本论文以海洋平台结构为研究对象，着重解决基于振动测试的结构损伤诊断问题。 本文针对三维框架结构(如海洋平台)等复杂大型土木工程结构，研究基于振动测试的结构损伤诊断方法，提出了一种精确、有效的基于交叉模态应变能(CMSE)的结构损伤诊断方法。传统的模态应变能方法是将损伤前后的同阶模态进行比较，而CMSE方法没有这个限制。此方法最大的优点是需要的模态信息少—通常一阶模态就足够了，除此之外CMSE方法不要求进行模态的归一化。本文利用剪切结构、三维框架结构以及海洋平台结构有限元模型对新的方法进行了验证，CMSE能够有效地诊断出海洋平台结构各种构件损伤的状况(包括桩、水平梁、斜撑)。数值模拟中结构的损伤分为2种情况—单个单元损伤和多个单元的损伤。此外，在模态参数识别技术导致的一定程度的噪声影响下，本算法能够给出有效的结构损伤程度评估，但是对于损伤位置的诊断的效果并不很理想。 “海洋结构损伤诊断”是本文研究的核心问题，是实现海洋平台结构实时健康监测的关键技术。在国家十五“863”项目和国家自然科学基金的支持下，本文以海洋平台结构为研究对象，通过数值模拟，验证了海洋结构的损伤诊断方法的有效性，取得了一定的进展。

目录

文摘

英文文摘

1前言

1.1损伤诊断技术的重要意义及发展现状

1.1.1损伤诊断技术的重要意义

1.1.2损伤诊断技术的发展现状

1.2结构监测系统的发展趋势

1.3本文的主要工作

1.3.1课题来源

1.3.2本文的主要工作

1.4参考文献

2基于振动测试的损伤诊断理论方法的评述

2.1模态参数直接比较

2.1.1固有频率变化

2.1.2振型变化

2.1.3阻尼变化

2.2模态应变能法

2.3基于模型修正的损伤诊断

2.4基于概率统计理论的损伤诊断

2.5本章小结

2.5.1结构模态参数的测试不完备(自由度不完备，模态阶数不完备)

2.5.2结构损伤诊断的传感器配置研究

2.5.3输入末知条件下模态参数识别

2.5.4测试噪声和模型的误差

2.5.5大型复杂结构的损伤诊断算法

2.5.6理论模型与实测模型的不一致性

2.6参考文献

3交叉模态应变能法诊断结构损伤

3.1交叉模态应变能法

3.1.1交叉模态应变能法的理论推导

3.1.2交叉模态应变能法的优点

3.2五层剪切结构的损伤诊断数值算例

3.2.1五层剪切结构有限元模型

3.2.2模拟的损伤工况及诊断结果分析

3.3五层框架结构的损伤诊断数值算例

3.3.1五层框架结构有限元模型

3.3.2模拟的损伤工况及诊断结果分析

3.4海洋平台结构的损伤诊断数值算例

3.4.1海洋平台结构有限元模型

3.4.2模拟的损伤工况及诊断结果分析

3.5模态信息误差对CMSE诊断损伤的影响

3.5.1模态信息误差对确定损伤程度的影响

3.5.2模态信息误差对确定损伤位置的影响

3.6本章小结

3.7参考文献

4结论与展望

4.1本文总结

4.2未来研究课题的展望

致谢