專利名稱：一種基于模態(tài)信息的結(jié)構(gòu)損傷診斷新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用模態(tài)信息(交叉模型交叉模態(tài))的損傷檢測(cè)方法，特別是針對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物的損傷診斷方法。
背景技術(shù)：
海洋平臺(tái)等大型結(jié)構(gòu)物在其服役期間損傷不可避免。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役在惡劣的海洋環(huán)境中，受到如風(fēng)載荷、波浪載荷、冰載荷等各種載荷的交互作用，有時(shí)還要遭到地震、臺(tái)風(fēng)、海嘯、船碰等意外打擊。由于其造價(jià)昂貴和工作性質(zhì)，一旦發(fā)生事故，不僅會(huì)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，而且還會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，造成不良的社會(huì)政治影響。
通常大型結(jié)構(gòu)物的損傷在結(jié)構(gòu)服役期間是不可避免的。為確保人員的生命安全、減少財(cái)產(chǎn)損失，唯一方法是盡早診斷出結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)損傷，并能及時(shí)進(jìn)行修復(fù)工作。由于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的使用不能中斷以及昂貴的造價(jià)，在役結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估應(yīng)該是無損或微損的方法，目測(cè)是通常所用的無損檢測(cè)方法，對(duì)于如構(gòu)件斷裂的損傷，目測(cè)能夠判定損傷。然而，對(duì)于材料老化造成的損傷、損傷在不可靠近的區(qū)域或者被油漆、銹以及海洋生物覆蓋著是很難利用目測(cè)檢測(cè)損傷的，所以利用目測(cè)進(jìn)行無損檢測(cè)是不可靠的。其它無損檢測(cè)技術(shù)，如X光檢測(cè)、超聲檢測(cè)、工業(yè)CT等方法，都屬于結(jié)構(gòu)局部損傷檢測(cè)方法。這類技術(shù)要求損傷的大致區(qū)域必須已知的情況下才能使用，而且必須位于測(cè)試儀器可及的地方。目前基于振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法正受到重視。這是因?yàn)?，?duì)大型工程結(jié)構(gòu)，一方面人工激勵(lì)需要專用的設(shè)備，測(cè)試成本非常高，而且有時(shí)環(huán)境荷載的影響也不可消除。另一方面，從發(fā)展在線監(jiān)測(cè)的角度來說，利用環(huán)境荷載激勵(lì)下的響應(yīng)信息進(jìn)行損傷診斷更可行。但應(yīng)該注意，如果模態(tài)參數(shù)是通過環(huán)境載荷激勵(lì)條件下測(cè)試得到的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行識(shí)別的，得到的結(jié)構(gòu)模態(tài)振型是無法質(zhì)量歸一化的。這就使得目前發(fā)展的大多數(shù)損傷診斷方法是不適用的，另外海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在服役期間，由于海生物附著、上層結(jié)構(gòu)設(shè)備的安裝與拆卸，導(dǎo)管架進(jìn)水等原因會(huì)引起結(jié)構(gòu)單元質(zhì)量的變化，當(dāng)前的損傷診斷方程中很少有考慮質(zhì)量變化的。由于上述兩方面的原因，針對(duì)海洋平臺(tái)等結(jié)構(gòu)，利用環(huán)境荷載激勵(lì)下的振動(dòng)測(cè)試響應(yīng)，發(fā)展一套適于在線的損傷診斷方法是必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的結(jié)構(gòu)損傷無損檢測(cè)需要質(zhì)量歸一化的振型，以及完備或高階的模態(tài)參數(shù)，損傷程度評(píng)估準(zhǔn)確度不高、沒有考慮結(jié)構(gòu)單元質(zhì)量的變化等問題，提出一種基于模態(tài)信息的結(jié)構(gòu)損傷診斷新方法，該方法不需要質(zhì)量歸一化的振型，僅利用結(jié)構(gòu)損傷前后的低階模態(tài)信息即可，可以同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的變化。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種基于模態(tài)信息的結(jié)構(gòu)損傷診斷新方法，包括如下步驟(1)基準(zhǔn)模型建立首先，根據(jù)結(jié)構(gòu)物未損傷狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)建立有限元模型；其次，將上述結(jié)構(gòu)物的在役結(jié)構(gòu)動(dòng)力狀態(tài)下，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)物服役階段的環(huán)境激勵(lì)下傳感器實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，利用模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)識(shí)別其模態(tài)參數(shù)；最后通過模型修正方法修正在役結(jié)構(gòu)物的有限元模型，得到能夠反映未損傷結(jié)構(gòu)實(shí)際動(dòng)力特性的模型，作為損傷診斷的基準(zhǔn)模型；(2)損傷檢測(cè)利用傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)物損傷后的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，利用模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)識(shí)別其模態(tài)參數(shù)，從實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭刑崛〕鯪j階模態(tài)，從基準(zhǔn)模型中提取出Ni階模態(tài)，通過基準(zhǔn)模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕徊妫约安煌A的模態(tài)交叉形成Nm＝Ni×Nj個(gè)交叉模型交叉模態(tài)方程，寫為矩陣形式，有Cα+Eβ＝f式中C和E為Nm×Ne階矩陣；α和β為Ne階列向量；f為Nm階列向量，由此式可寫為Gγ＝f
式中G＝[C E]，γ=αβ]]>通過最小二乘法解出γ^=(GTG)-1GTf,]]>上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置，其中Cn,ij=ΦiTKnΦj*,]]>En,m=-λj*Dn,m,]]>Dn,ij=ΦiTMnΦj*,]]>fm=-Cm+λj*Dm,]]>K和M分別表示結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，Kn表示第n個(gè)單元的單元?jiǎng)偠染仃嚕琈n表示第n個(gè)單元的單元質(zhì)量矩陣，Φi，Φj*分別指結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)振型，λi和λj*是基準(zhǔn)模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶卣髦?，這樣利用基準(zhǔn)模型和實(shí)測(cè)模態(tài)信息即可確定表示結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)偠群唾|(zhì)量發(fā)生變化的修正系數(shù)αi(i＝1，…，Ne)和βi(i＝1，…，Ne)，其中α為結(jié)構(gòu)單元的剛度修正系數(shù)，若-1≤αi＜0則表示第i單元發(fā)生損傷；β表示結(jié)構(gòu)單元質(zhì)量的變化，若βi≠0表示第i單元的質(zhì)量發(fā)生了變化；(3)損傷程度評(píng)估所得到的修正系數(shù)αi(i＝1，…，Ne)和βi(i＝1，…，Ne)的值的大小代表了相應(yīng)單元的損傷程度和質(zhì)量變化情況。
所述的(2)損傷定位步驟和(3)損傷程度評(píng)估步驟中都是通過損傷表征向量α和β來表示的，α表示結(jié)構(gòu)剛度的變化，-1≤αj＜0，表示第j單元發(fā)生損傷，αj≥0，表示第j單元沒有發(fā)生損傷，αj＜-1，沒有物理意義，β表征的是結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化，如果在損傷檢測(cè)中包含質(zhì)量變化，該方法亦可適用。
所述的結(jié)構(gòu)服役階段的環(huán)境激勵(lì)下傳感器實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，其或是加速度，或是速度，或是位移。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是本發(fā)明利用損傷前后的模態(tài)信息的差異進(jìn)行損傷定位和損傷程度評(píng)估，利用結(jié)構(gòu)的單元?jiǎng)偠染仃嚭唾|(zhì)量矩陣作為診斷項(xiàng)，根據(jù)損傷表征向量一次性進(jìn)行損傷定位和損傷程度評(píng)估。本發(fā)明不需要質(zhì)量歸一化的振型，僅利用結(jié)構(gòu)損傷前后的低階模態(tài)信息即可，可以同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的變化。該方法適用于單損傷，多種損傷工況下，能夠精確定位出框架結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明的實(shí)施海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元模型圖；圖2為本發(fā)明的實(shí)施海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的損傷工況示意圖；圖3為本發(fā)明的實(shí)施海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的診斷效果圖(工況1，2)；圖4為本發(fā)明的實(shí)施海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的診斷效果圖(工況3，4)；圖5為本發(fā)明的實(shí)施海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的診斷效果圖(工況5，6)；圖6為本發(fā)明的診斷復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)損傷流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
一、具體算法推導(dǎo)以K和M表示未損傷結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，K*和M*表示損傷結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣。
K*=K+Σn=1NeαnKn---(1)]]>M*=M+Σn=1NeβnMn---(2)]]>αn，βn分別是第n個(gè)單元的剛度損失系數(shù)和質(zhì)量變化系數(shù)，Ne為結(jié)構(gòu)的單元數(shù)。損傷結(jié)構(gòu)的特征值關(guān)系為K*Φj*=λj*M*Φj*---(3)]]>把式(1)、式(2)代入上式中，并左乘ΦiT得到Cij+Σn=1NeαnCn,ij=λj*(Dij+Σn=1NeβnDn,ij)---(4)]]>其中，Cij=ΦiTKΦj*,]]>Cn,ij=ΦiTKnΦj*,]]>Dij=ΦiTMΦj*,]]>Dn,ij=ΦiTMnΦj*.]]>用一個(gè)新的指數(shù)m代替ij，公式(4)可改寫為Cm+Σn=1NeαnCn,m=λj*(Dm+Σn=1NeβnDn,m)---(5)]]>則Σn=1NeαnCn,m+Σn=1NeβnEn,m=fm---(6)]]>其中，fm=-Cm+λj*Dm,]]>En,m=-λj*Dn,m.]]>當(dāng)Ni個(gè)模態(tài)來自未損傷結(jié)構(gòu)的有限元模型，Nj個(gè)模態(tài)來自實(shí)測(cè)損傷結(jié)構(gòu)，從公式(6)中可以得到Nm＝Ni×Nj個(gè)方程。將其寫做矩陣的形式Cα+Eβ＝f (7)上式也可寫為Gγ＝f (8)式中G＝[C E]，γ=αβ]]>γ通過最小二乘法解出γ^=(GTG)-1GTf,]]>上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置。最終求解出α，β，即損傷診斷指標(biāo)，其中含有損傷位置，損傷程度，各單元質(zhì)量變化等信息。
二、建立海洋平臺(tái)有限元數(shù)值模型本算例模擬研究的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)由樁、梁、斜撐構(gòu)件組成，共42個(gè)單元，如圖1所示。利用MATLAB編寫有限元程序，建立有限元模型，作為未損傷結(jié)構(gòu)模型。然后再模擬不同損傷工況，得出模擬實(shí)測(cè)的模態(tài)參數(shù)。本算例模擬六種損傷工況，包括各種構(gòu)件單個(gè)損傷，多損傷以及不同程度的損傷。具體損傷工況見表1所示，損傷位置示意圖如圖2所示。
三、損傷診斷分析通過提取基準(zhǔn)模型的前42階模態(tài)信息和損傷結(jié)構(gòu)的第1階模態(tài)就可以準(zhǔn)確地進(jìn)行定位?；蛘哌x取基準(zhǔn)模型的前21階模態(tài)和損傷結(jié)構(gòu)的前2階模態(tài)即可完成損傷定位和損傷程度評(píng)估。如果事先可以縮小損傷的范圍，則需要的模態(tài)信息可以更少。
損傷工況一，13號(hào)單元發(fā)生剛度損失25％，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準(zhǔn)確地定位和評(píng)估損傷程度。
損傷工況二，18號(hào)單元發(fā)生剛度損失1％，該損傷程度很小，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準(zhǔn)確地定位和評(píng)估損傷程度。說明該方法從理論上可以很好的對(duì)輕微損傷作出診斷。
損傷工況三，25號(hào)和15號(hào)單元發(fā)生剛度損失25％和15％，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準(zhǔn)確地定位和評(píng)估損傷程度。驗(yàn)證了該方法對(duì)發(fā)生兩處損傷工況可以很好的作出診斷。
損傷工況四，13號(hào)、14號(hào)、18號(hào)單元發(fā)生剛度損失5％、25％和15％，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準(zhǔn)確地定位和評(píng)估損傷程度。從圖2可以看出，損傷的三個(gè)構(gòu)件是相鄰的。驗(yàn)證了該方法對(duì)多處相鄰損傷工況的準(zhǔn)確識(shí)別能力。
損傷工況五，5號(hào)、14號(hào)、31號(hào)單元發(fā)生剛度損失25％、3％和10％，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準(zhǔn)確地定位和評(píng)估損傷程度。從圖2可以看出，損傷的三個(gè)構(gòu)件是彼此相隔的。驗(yàn)證了該方法對(duì)多處相隔損傷工況的準(zhǔn)確識(shí)別能力。
損傷工況六，13號(hào)、16號(hào)、17號(hào)、18號(hào)、31號(hào)單元發(fā)生剛度損失5％、25％、10％、20％和3％，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準(zhǔn)確地定位和評(píng)估損傷程度。驗(yàn)證了該方法對(duì)多處損傷工況的準(zhǔn)確識(shí)別能力。從理論上講，該方法可以用于所有單元都發(fā)生損傷的情況，甚至對(duì)個(gè)別構(gòu)件剛度完全損失亦可診斷出來。
本發(fā)明主要針對(duì)導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)等復(fù)雜大型工程結(jié)構(gòu)物，在環(huán)境載荷激勵(lì)下利用動(dòng)力測(cè)試對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷診斷。由于人工施加激勵(lì)力對(duì)于大型工程結(jié)構(gòu)需要大量的專用設(shè)備、測(cè)試成本較高。因此利用環(huán)境載荷作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行損傷診斷對(duì)于海洋平臺(tái)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是非常關(guān)鍵的。本發(fā)明提出適用于海洋平臺(tái)等大型工程結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)檢測(cè)/監(jiān)測(cè)的損傷診斷方法，用于建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以提高結(jié)構(gòu)對(duì)未知損傷的預(yù)警能力，盡早地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的潛在損傷，以便及時(shí)采取修復(fù)措施，避免造成過大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。
當(dāng)然，上述說明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于模態(tài)信息的結(jié)構(gòu)損傷診斷新方法，其特征在于包括如下步驟(1)基準(zhǔn)模型建立首先，根據(jù)結(jié)構(gòu)物未損傷狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)建立有限元模型；其次，將上述結(jié)構(gòu)物的在役結(jié)構(gòu)動(dòng)力狀態(tài)下，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)物服役階段的環(huán)境激勵(lì)下傳感器實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，利用模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)識(shí)別其模態(tài)參數(shù)；最后通過模型修正方法修正所述在役結(jié)構(gòu)物的有限元模型，得到能夠反映未損傷結(jié)構(gòu)實(shí)際動(dòng)力特性的模型，作為損傷診斷的基準(zhǔn)模型；(2)損傷檢測(cè)利用傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)物損傷后的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，利用模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)識(shí)別其模態(tài)參數(shù)，從實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭刑崛〕鯪j階模態(tài)，從基準(zhǔn)模型中提取出Ni階模態(tài)，通過基準(zhǔn)模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕徊?，以及不同階的模態(tài)交叉形成Nm＝Ni×Nj個(gè)交叉模型交叉模態(tài)方程，寫為矩陣形式，有Cα+Eβ＝f式中C和E為Nm×Ne階矩陣；α和β為Ne階列向量；f為Nm階列向量，由此式可寫為Gγ＝f式中G＝[C E]，γ=αβ]]>通過最小二乘法解出γ^=(GTG)-1GTf,]]>上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置，其中Cn,ij=ΦiTKnΦj*,]]>En,m=-λj*Dn,m,]]>Dn,m=ΦiTMnΦj*,]]>fm=-Cm+λj*Dm,]]>K和M分別表示結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，Kn表示第n個(gè)單元的單元?jiǎng)偠染仃嚕琈n表示第n個(gè)單元的單元質(zhì)量矩陣，Фi，Фj*分別指結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪B(tài)振型，λi和λj*是基準(zhǔn)模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶卣髦?，這樣利用基準(zhǔn)模型和實(shí)測(cè)模態(tài)信息即可確定表示結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)偠群唾|(zhì)量發(fā)生變化的修正系數(shù)αi(i＝1，…，Ne)和βi(i＝1，…，Ne)，其中α為結(jié)構(gòu)單元的剛度修正系數(shù)，若-1≤αi＜0則表示第i單元發(fā)生損傷；β表示結(jié)構(gòu)單元質(zhì)量的變化，若βi≠0表示第i單元的質(zhì)量發(fā)生了變化；(3)損傷程度評(píng)估所得到的修正系數(shù)αi(i＝1，…，Ne)和βi(i＝1，…，Ne)的值的大小代表了相應(yīng)單元的損傷程度和質(zhì)量變化情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述結(jié)構(gòu)損傷診斷新方法，其特征在于所述的(2)損傷定位步驟和(3)損傷程度評(píng)估步驟中都是通過損傷表征向量α和β來表示的，α表示結(jié)構(gòu)剛度的變化，-1≤αj＜0，表示第j單元發(fā)生損傷，αj≥0，表示第j單元沒有發(fā)生損傷，αj＜-1，沒有物理意義，β表征的是結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述結(jié)構(gòu)損傷診斷新方法，其特征在于所述的結(jié)構(gòu)服役階段的環(huán)境激勵(lì)下傳感器實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，其或是加速度，或是速度，或是位移。
全文摘要
本發(fā)明一種基于大型在役結(jié)構(gòu)物動(dòng)力特性的損傷檢測(cè)方法利用損傷前后的模態(tài)信息的差異進(jìn)行損傷定位和損傷程度評(píng)估，利用結(jié)構(gòu)的單元?jiǎng)偠染仃嚭唾|(zhì)量矩陣作為診斷項(xiàng)，根據(jù)損傷表征向量一次性進(jìn)行損傷定位和損傷程度評(píng)估。本發(fā)明不需要質(zhì)量歸一化的振型，僅利用結(jié)構(gòu)損傷前后的低階模態(tài)信息即可，可以同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的變化。該方法適用于單損傷，多種損傷工況下，能夠精確定位出框架結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101034053SQ200710013349
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者李華軍, 胡少龍, 王樹青, 王俊榮, 張敏 申請(qǐng)人:中國海洋大學(xué)