（化工过程机械专业论文）基于位移模态井架损伤识别研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t e 9 2 3 学科分类号 6 2 0 3 0 3 0 论文编号 1 0 0 10 2 0 1 2 0 6 6 4 密 级公开 学位授予单位代码 10 0 1o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 刘宇 学号2 0 0 9 0 0 0 6 6 4 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源自选项目研究方向钻井井架受力 论文题目基于位移模态井架损伤识别研究 关键词 井架，损伤缺陷识别，位移模态，曲率模态，模型修正 论文答辩日期2 0 1 2 年5 月2 6 日* 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 颜廷俊教授北京化工大学石油装备与检测技术 评阅人l王奎升教授北京化工大学石油机械 评阅人2周俊波教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员会主席1周俊波教授北京化工大学化工过程机械 中国石油长城钻井 答辩委员1陈香凯高工石油机械 公司 答辩委员2 王奎升 教授 北京化工大学石油机械 答辩委员3赵惠清副教授北京化工大学机械 答辩委员4张杨副教授北京化工大学 石油机械 答辩委员5马润梅讲师北京化工大学流体机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共扣国国家标准( g b t13 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 基于位移模态井架损伤识别研究 摘要 井架在服役一段时间后，其结构中会出现多种损伤缺陷，使得井架承 载能力不能满足设计要求，为了现场操作安全，标准规定进行应力检测。 但是应力检测属于抽样检查，其会影响井架承载能力的判定结果。 为了研究在役井架受力状态，必须要识别出井架中含有的各种各样损 伤缺陷，在有限元中建立含缺陷井架模型，再基于该模型评估井架承载能 力。本文系统阐述了基于动态数据对结构损伤缺陷定位、定量识别方法的 理论，对各种方法进行了评价。 本文针对于h j j 4 5 0 4 7 t 海洋井架建立其有限元模型，分析设计载荷 下的井架受力状态与动态参数、风载存在工况下井架受力状态、波浪力存 在工况下井架受力状态。利用有限元软件模拟h j j 4 5 0 4 7 t 海洋井架常出 现各种缺陷，提取含缺陷井架位移模态值，研究缺陷对井架位移模态值的 影响规律，再基于位移模态差值、曲率模态差值损伤识别井架中含有的缺 陷。 在实验室中建立h j j 4 5 0 4 7 一t 海洋井架模型，通过实测含缺陷实验室 井架位移模态值，利用曲率模态值初步识别实验室井架所含缺陷，结合有 限元优化方法与模型修正技术对实验室井架进行模拟仿真。通过模型计算 出含缺陷实验室井架受力状态，与实测应力值相比较，相对误差在5 以 内，表明模型修正精度较高，可为现场井架承载能力检测评估提供一种新 的方法。 关键词：井架，损伤缺陷识别，位移模态，曲率模态，模型修正 摘要 d a m a g ei d e n t 琢i c a t i o no fd e r r i c k b a s eo nd i s p l a c e m e n tm o d e l a b s t r a c t t h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fo i ld e r r i c kw i l lc a n n o tm a t c ht h eo r i g i n a ld e s i g n c a r r y i n gc a p a c i t yb e c a u s eo fd a m a g e d e f e c to fo i ld e r r i c k ，a ss t a t e di nn a t i o n a l s t a n d a r dt h a tn e e d st od e t e c ti t h o w e v e r , s t r e s st e s t i n gb e l o n g st os a m p l i n g i n s p e c t i o ns ot h a t s t r e s st e s t i n gw i l la f f e c tt h ej u d g e m e n to ft h ec a r r y i n g c a p a c i t yo fo i ld e r r i c k i no r d e rt os t u d yt h es t r e s ss t a t eo fo i ld e r r i c k ，t h ed a m a g ed e f e c to f d e r r i c km u s tb ei d e n t i f i e d b a s e do nt h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo fd e r r i c kw h i c h h a sd a m a g ed e f e c t s ，t h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fd e r r i c ki se v a l u a t e d t h i sp a p e r s y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b e st h et h e o r yo fs t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o nb a s e d o nd y n a m i cd a t a t h i sp a p e re s t a b l i s hf i n i t e e l e m e n tm o d e lo fh j j 4 5 0 4 7 一tm a r i n ed e r r i c k a n da n a l y s es t r e s ss t a t ea n dd y n a m i cp a r a m e t e r so ft h ed e r r i c kb yd e s i g nl o a d ， s t r e s ss t a t eo ft h ed e r r i c kb yd e s i g nl o a da n dw i n dl o a d ，s t r e s ss t a t eo ft h e d e r r i c kb yd e s i g nl o a da n dw a v el o a d b a s e do ns i m u l a t i o no ft h em a r i n e 北京化工大学硕士学位论文 d e r r i c kw h i c hh a sd e f e c t s ，d i s p l a c e m e n tm o d ev a l u ei se x t r a c t e da n ds t u d i e d t h ei m p a c to fd a m a g ed e f e c t s t h ed i s p l a c e m e n tm o d ed i f f e r e n c ea n dt h e c u r v a t u r em o d ed i f f e r e n c ea r eu s e df o ri d e n t i f y i n gd a m a g e ah j j 4 5 0 4 7 一tm a r i n ed e r r i c km o d e lw a se s t a b l i s h e di nt h el a b o r a t o r y i d e n t i f yd a m a g ep r e l i m i n a r i l yb yt h ec u r v a t u r em o d ed i f f e r e n c ew h i c hb a s e d o nm e a s u r i n gw i t ht h el a b o r a t o r ym o d e li n c l u d i n gs o m ed e f e c t s t h i sp a p e r u s e st h ef i n i t e e l e m e n to p t i m i z a t i o nm e t h o da n dm o d e lu p d a t i n gt e c h n o l o g yt o s i m u l a t et h el a b o r a t o r ym o d e l t h es t r e s ss t a t eo ft h em o d e li sc a l c u l a t e da n d c o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e ds t r e s sv a l u e s ，t h er e l a t i v ee r r o ro fl e s st h a n5 ， i n d i c a t i n gt h a tt h eh i g h e ra c c u r a c yo fm o d e lm o d i f i c a t i o n a n d t h i si san e w m e t h o df o rt h ed e t e c t i o no fc a r r y i n gc a p a c i t yo fo i ld e r r i c k k e yw o r d s ：o i ld e r r i c k ，d a m a g ei d e n t i f i c a t i o n ，d i s p l a c e m e n tm o d e ， c u r v a t u r em o d e ，m o d e lu p d a t i n g 】v 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 项目目的意义：。1 1 2 国内外研究现状1 1 3 研究主要内容3 1 4 研究关键技术4 第2 章动力数据损伤识别理论5 2 1 概述5 2 2 基于固有频率损伤识别理论。5 2 3 基于曲率模态损伤识别理论8 2 4 基于柔度模态损伤识别理论1o 2 5 基于应变模态损伤识别理论10 2 6 小结12 第3 章海洋井架受力分析13 3 1 海洋井架有限元模型建模基础13 3 1 1 海洋井架有限元分析几何模型13 3 1 2 海洋井架杆件单元类型选择13 3 1 3 海洋井架杆件实常数定义16 3 1 4 海洋井架加载以及约束。16 3 1 5a p d l 语言。16 3 2 海洋井架有限元模型建立16 3 2 1 海洋井架结构以及基本参数16 3 2 2 海洋井架有限元模型19 3 3 海洋井架有限元模型受力分析19 3 3 1 设计钩载工况19 3 3 2 风载存在工况2 4 3 3 3 波浪力存在工况2 7 北京化工大学硕士学位论文 3 。4 小结3 0 第4 章基于位移模态井架损伤缺陷识别技术3 1 4 。1 损伤缺陷模拟3 1 4 1 1 局部腐蚀缺陷3 1 4 1 2 局部弯曲缺陷、3 2 4 1 3 支座沉降缺陷3 2 4 1 4 整体弯曲缺陷3 3 4 2 基于位移模态对损伤缺陷识别3 4 4 2 1 局部腐蚀缺陷3 4 4 2 2 局部弯曲缺陷3 7 4 2 3 支座沉降缺陷3 9 4 2 4 整体弯曲缺陷，4 0 4 3 小结；4 2 第5 章含缺陷实验室井架损伤识别。4 3 5 1 模型修正技术4 3 5 2 实验室井架实验。4 3 5 2 1 实验室井架模型4 3 5 2 2 实验器材4 6 5 2 3 实验室井架动态测试4 8 5 2 4 实验室井架应力测试4 8 5 3 实验室井架损伤识别5 0 5 3 1 局部腐蚀缺陷损伤识别5 0 5 3 2 支座沉降缺陷损伤识别5 2 5 3 3 组合缺陷损伤识别5 3 5 4 小结5 5 第6 章结论5 7 6 1 课题主要结论5 7 6 2 课题展望。5 7 i l 目录 参考文献5 9 附录1 6 3 附录2 6 7 附录3 7 3 致谢7 7 研究成果和发表的学术论文7 9 作者和导师简介8 1 北京化工大学硕士学位论文 目录 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h ep r o j e c t 1 1 2r e s e a r c hs t a t u s 1 1 3m a i nr e s e a r c h 3 1 4k e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h 4 c h a p t e r2d a m a g e i d e n t i f i c a t i o nt h e o r yb a s e so nd y n a m i cd a t a 5 2 1s u m m a r i z e 5 2 2d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nt h e o r yb a s e so nf r e q u e n c y 5 2 3d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nt h e o r yb a s e so nc u r v a t u r em o d e 8 2 4d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nt h e o r yb a s e so nf l e x i b i l i t ym o d e 10 2 5d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nt h e o r yb a s e so ns t r a i nm o d e 10 2 6s u m m a r y 1 2 c h a p t e r3s t r e s sa n l a y s i so f t h em a r i n ed e r r i c k 13 3 1f o u d m e n t a lo f f em o d e l i n go f m a r i n ed e r r i c k 1 3 3 1 1g e o m e t r i cm o d e lo f f ea n l a y s i so f m a r i n ed e r r i c k 1 3 3 1 2e l e m e n tt y p es e l e c e t i o no f m a r i n ed e r r i c k 1 3 3 1 3f er e a lc o n s t a n td e f i n e df o r m a r i n ed e r r i c k 1 6 3 1 4f em o d e lb o u n d a r yc o n d i t i o n s 1 6 3 1 5a p d l 1 6 3 2e s t a b i l s hf em o d e lo f m a r i n ed e r r i c k 16 3 2 1m a r i n ed e r r i c ks t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s 1 6 3 2 2f em o d e lo f m a r i n ed e r r i c k 一1 9 3 3s t r e s sa n a l y s i so f f em o d e lo f m a r i n ed e r r i c k 1 9 3 3 1d e s i g nl o a dc o n d i t i o n 1 9 3 3 2w i n dl o a dc o n d i t i o n 2 4 333w a v el o a dc o n d i t i o n 2 7 北京化工大学硕士学位论文 3 4s u m m a r y 3 0 c h a p t e r4d a m a g eo fd e r r i c ki d e n t i f i c a t i o nb a s e so nd i s p a l c e m e n tm o d e 31 4 1d a m a g em o d e le s t a b l i s h e d 3 1 4 1 1l o c a lb a rc o r r o s i o n 31 4 1 2l o c a lb e rb e n d i n g 3 2 4 1 3b e a r i n gs e d i m e n t 3 2 4 1 4l e gb e n d i n g 3 3 4 2d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nb a s e so nd i s p a l c e m e n tm o d e 3 4 4 2 1l o c a lb a rc o r r o s i o n 3 4 4 2 2l o c a lb e rb e n d i n g 3 7 4 2 3b e a r i n gs e d i m e n t 3 9 4 2 4l e gb e n d i n g 4 0 4 3s u m m a r y 4 2 c h a p t e r5d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nf o rl a b o r a t o r yd e r r i c km o d e l 4 3 5 1m o d e lu p d a t i n g 4 3 5 2l a b o r a t o r yd e r r i c ke x p e r i m e n t 4 3 5 2 1l a b o r a t o r yd e r r i c km o d e l 4 3 5 2 2e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 4 6 、5 2 3d y n a m i ct e s to f l a b o r a t o r yd e r r i c km o d e l 4 8 5 2 4s t r e s st e s to f l a b o r a t o r yd e r r i c km o d e l 4 8 5 3d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nf o rl a b o r a t o r yd e r r i c hm o d e l 5 0 5 3 1d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nf o rc o r r o s i o n 5 0 5 3 2d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nf o rb e a t i n gs e d i m e n t 5 2 5 3 3d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nf o rc o m b i n a t i o no f d a m a g e 5 3 5 4s u m m a r y 5 5 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 5 7 6 1m a i nc o n c l u s i o n 5 7 6 2r e s e a r c hp r o p o s a l si nf u t u r e 5 7 v i 目录 r e f e r e n c e s 5 9 a p p e n d i x1 6 3 a p p e n d i x2 6 7 a p p e n d i x3 7 3 a c k o w n l e d g e m e n t s 7 7 r e s e a r c ha n dp u b l i s h e dp a p e r 7 9 a u m o ra n dt u t o ri n t r o d u c t i o n 8 1 第1 章绪论 1 1 项目目的意义 第1 章绪论 井架是钻井机械中重要组成部分，它是钻井以及采油工程的骨骼，其主要用于安 放和悬挂天车、游车、大钩或顶驱等起升设备，及起升下放钻柱、钻杆、油管或者抽 油杆等钻采与抽油设备【l 】。 井架在使用过程中，特别是服役多年的井架，不可避免要经受风吹日晒、拆装搬 迁等影响，尤其对于海洋钻井井架，其常年累月受海洋恶劣环境的影响，井架会产生 各种各样的损伤缺陷，比如井架杆件腐蚀、杆件弯曲、支座沉斛2 】等。而这些损伤缺 陷的存在必定会影响井架的承载能力，使其无法满足出厂时的设计载荷要求，为了避 免现场出现安全事故，因此要对井架承载能力进行检测。按照标准规定【3 】，井架检测 要在井架主肢上进行应变技术测量，再通过现场施加一定载荷，采集出应变数据进行 线性外推到设计载荷下的应变数据后采用标准规定的公式计算出在役井架承载能力。 但是由于现场检测人员不测量攀爬困难以及较高层位的杆件，只测量较低层位的井架 主肢杆件，并且应变测量技术是抽样检测【4 】，具有一定的随机性，因此在现场井架检 测时很有可能将最危险处应力没有采集到，从而影响后期的井架承载能力计算评估的 准确性，为安全生产埋下隐患。 本实验室曾针对于实测井架应力【5 】，采用模型修正技术以及a n s y s 优化算法， 建立符合实际受力状态的井架模型，再利用该模型计算出在役井架的承载能力。但是 由于静态参数对于井架局部缺陷不敏感，识别井架局部损伤状态较为困难，从而不能 更准确模拟出井架的受力状态。据此，提出了“基于位移模态井架损伤识别研究”课 题。 与井架应力检测中无法将应变片粘贴到井架较高层位杆件相比较，加速度传感器 能方便地通过磁力底座吸附在井架主肢杆件上，从而可以将加速度传感器安装在井架 较高层位杆件。因此，与应变测量技术相比较，动态测量技术更能全面检测井架受力 状态，并且动态参数对于局部缺陷识别灵敏度较高，因此该课题采用井架动态参数、 损伤识别以及模型修正技术，建立出精度更高的、与现场井架受力状态相同的有限元 模型，为井架承载能力计算提供更加坚实的基础，为现场安全生产提供保障。 1 2 国内外研究现状 由于井架是承载大载荷设备，其受力复杂，为了准确评估在役井架承载能力，诸 多学者对井架受力状态以及损伤缺陷进行研究。早期的研究中，很多专家学者对井架 北京化工大学硕士学位论文 受力状态和井架模态参数【岳9 1 ，如频率、振型等进行手工计算或者利用有限元软件进行 分析，通过计算得出井架应力分布规律以及井架模态分布规律，了解井架在设计载荷 下的最大应力、最大位移，井架的各阶频率以及振型。针对于井架各阶振型，分析出 井架在该阶频率下出现该阶振型的原因，以及在现场如何避免井架出现共振。这些前 期的受力计算，为井架整体受力状态评估计算提供力学基础。随着研究不断的深入， 有些研究者发现有限元计算结果与现场实际测量应力有较大的差入，由此提出了在役 井架应考虑井架在使用过程中含有的缺陷以及较易发生的缺陷【l o 。1 2 】。 由此就有研究者针对在役井架缺陷进行统计并进行有限元模拟，以期通过模拟含 各种不同组合缺陷使得井架有限元模型受力与在役井架受力相同。而在役井架的损伤 缺陷有很多且损伤位置不定，缺陷组合有很多，模拟计算量太大，就有研究者通过损 伤识别技术对在役井架进行损伤识别。 本实验室曾基于在役井架静力数据、结合模型修正技术以及有限元软件a n s y s 优化程序，对在役井架损伤缺陷进行识别，通过修正得到的井架模型评估计算在役井 架承载能力【1 3 】。但是由于井架静力数据对井架局部损伤缺陷不是很敏感，因此局部损 伤缺陷识别效果较差，如果当在役井架承载能力下降是由于局部损伤缺陷引起的，仅 凭静力数据来判断会产生较大误差。鉴于此，诸多专家学者开始研究井架动态特性数 据。周国强等人将井架化简为一个简支梁，通过简支梁的承载能力与其频率的线性关 系计算出井架承载能力”1 7 】，但是井架是一个空间钢架结构，其承载能力很难与频率 之间构建线性方程。由于井架承载能力较难直接与井架动态特性数据之间建立关系， 因此部分研究者将研究方向转换到井架动态数据对井架损伤缺陷进行识别，再通过有 限元模拟含缺陷井架，从而计算出井架承载能力。 利用动态数据对结构进行损伤识别较早开展于桥梁工程，李忠忠通过有限元软件 建立钢桁架铁路桥梁模型，在这个模型内制造损伤，随着损伤程度加大，该模型的曲 率模态变化明显，因此可以通过曲率模态的变化识别钢桁架铁路桥梁的损伤【l 戤。陈志 等人将桥梁现场采集得到的动态信号进行小波分析，利用“能量损伤”损伤诊断识别 方法对桥梁进行损伤诊断并进行报警【l 引。 由于在桥梁中损伤识别效果较好，基于石油井架动态数据对其损伤识别的研究也 逐渐开展起来。有研究者希望利用容易采集得到的低阶固有频率对井架损伤进行定 位、定量识别，但是由于固有频率是反映井架整体动态特性的动态数据，其与静力参 数一样，对局部损伤缺陷的存在不敏感，因此无法对局部损伤缺陷进行定位、定量识 别【2 0 】。也有一些研究者采用应变模态、柔度矩阵、应变能等动态参数作为敏感参数， 这些参数都能准确定位出损伤识别的存在，但是对于损伤缺陷的定量就需要再经过有 限元计算模拟结果进行逐步比对来识别出损伤程度。 国外对于石油井架的认识就是当井架一旦超过设计期限就将该井架报废，因此对 于石油井架承载能力研究成果较少，更不曾开展井架损伤识别与模型修正工作 2 1 - 2 2 】。 第1 章绪论 但是国外在航天航空、建筑、桥梁等领域中开展了大量的研究工作，在理论与实际应 用方面都取得很好的成果 2 3 - 2 7 】。t e u g h e l s 等人利用桥梁实测动态参数对桥梁有限元模 型进行修正，并对桥梁中存在的损伤缺陷进行定位、定量识别【2 8 1 。 综上所述：结合动态参数与模型修正技术的损伤识别技术在航天航空、建筑、桥 梁等领域得到较好的应用空间，并取得良好的研究成果。因此在石油井架损伤缺陷识 别中也可使用结合动态参数与模型修正技术的损伤识别技术，使得模拟出的井架有限 元模型受力状态更加靠近现场井架受力状态，基于此模型对现场井架承载能力的评估 会更加准确。 1 3 研究主要内容 ( 1 ) 根据h j j 4 5 0 4 7 t 海洋井架图纸，在有限元软件a n s y s 中建立模型，分析该 海洋井架在设计载荷下的受力状态以及模态参数，以及该海洋井架在风载存在以及波 浪力存在工况下的受力情况。 ( 2 ) 调研海洋井架中常出现的缺陷，确定有限元模拟仿真的方法，通过改变海洋 井架几何参数与物理参数仿真出海洋井架损伤缺陷。 ( 3 ) 模拟仿真各种缺陷下海洋井架的模态参数，研究其对井架模态参数的影响规 律。再基于位移模态参数对模拟仿真井架的各种损伤缺陷进行损伤缺陷定位以及识别 损伤程度。 ( 4 ) 基于应力数据井架模型修正函数的建立，根据前期初步损伤识别得出的缺陷 位置以及种类，缩小模型修正优化函数中的变量即缺陷位置、种类以及尺度的范围， 利用应力数据与待修正的有限元模型相应数据之间的均方差作为所构建的模型修正 目标函数，结合有限元软件a n s y s 的优化程序，通过对海洋井架进行模型修正，识 别出海洋井架的缺陷，得到与海洋井架强度与刚度一致的井架有限元模型。 ( 5 ) 依据h j j 4 5 0 4 7 一t 海洋井架图纸与几何相似、材料相似、加速度相似、截面 积相似、惯性矩相似等相似理论，按照1 ：1 4 比例加工一套实验室海洋井架模型及设计 加工相应的加载系统供实验使用。 在实验室井架主要受力的主肢杆件上粘贴应变计，使用应变仪分别测取在不同 缺陷及复合缺陷时各测点的实验室井架应力； 在相应的测试部位安装加速度传感器，使用力锤激励法激振，分别测取在不同 缺陷及复合缺陷时各测点的实验室井架模态参数。 ( 6 ) 利用待修正井架各杆件应力的计算值与实验井架相应层位杆件的实验应力数 据为基础，利用前期构建的模型修正函数。采用有限元软件a n s y s 优化算法对待修 正井架模型进行修正，最后得到与实验井架损伤缺陷及静态参数一致或等效的井架模 型；在计算机上对其等效模型进行加载，获得修正得到的实验室井架模型在载荷作用 北京化工大学硕士学位论文 下全部各杆件的受力情况。以实验得到的实验室井架应力参数作为基准值，用模型修 正得出来的实验室井架模型应力参数与之相比较，通过两者应力参数的相对误差确定 修正得到的实验室井架模型精度。 1 4 研究关键技术 ( 1 ) 各不同损伤缺陷对h j j 4 5 0 4 7 t 海洋井架模态参数的影响规律； ( 2 ) 基于实验室井架动力测试数据的损伤识别 第2 章动力数据损伤识别理论 2 1 概述 第2 章动力数据损伤识别理论 模态是每一种结构的固有振动特性，不同结构的模态参数都不相同。每一阶模态 都具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型 2 9 】。对于每一种结构的模态参数都需要通 过计算或者试验分析得到，这样一个计算或者试验分析过程称为模态分析。利用模态 参数对系统进行损伤识别，已经日益成为一种十分有效的故障诊断与安全检验方法 【3 0 】。目前主要用于故障诊断与安全检验方法的损伤识别方法有如下5 种： ( 1 ) 损伤指标法； ( 2 ) 模型修正法； ( 3 ) 灵敏度分析法； ( 4 ) 反分析法； ( 5 ) 人工神经网络法。 而损伤指标法中常用于故障诊断与安全检验的损伤指标为：固有频率、曲率模态 振型、柔度模态振型、应变模态振型，后三个常用的损伤指标都是基于位移模态振型 得到的，其中位移模态为系统在每一阶频率下的振动幅度。 模型修正法的基本思路为基于现场数据结合优化算法修正现场结构的有限元模 型，使得最后修正得到的有限元模型与被测结构相同，当优化算法中变量较多时，其 修正精度会大打折扣。 灵敏度分析是通过分析或研究系统结构发生改变时，系统的状态与输出信号的变 化对于结构变化的敏感度分析；反分析法是基于现场实测数据，反求系统结构的变化 量的方法；人工神经网络是近年来根据大脑神经元结构信息处理提出的数学模型，其 由大量的神经元组成，能将系统的信号与系统结构损伤之间建立起统计学数学模型， 一旦系统出现损伤，人工神经网络法就能判断出系统的损伤。后三种的故障诊断与安 全检验方法都需要较高的数学理论基础，普及性较差。 2 2 基于固有频率损伤识别理论 一旦系统结构发生任何损伤，系统结构的刚度就会降低，但系统质量基本不会发 生改变。 i q d = k o + k 上式中：【k 】r 系统结构出现损伤后结构刚度矩阵 ( 2 1 ) 北京化工大学硕士学位论文 k 】r 系统结构出现损伤前结构刚度矩阵 斌】一由损伤引起的结构刚度矩阵变化量 多自由度无阻尼自由振动系统的振动方程为【3 l 】： 、 m 】缸) - + k 】缸) = 0( 2 2 ) 求得其本征方程为： ( 晖卜2 m ) 巾 _ 0( 2 - 3 ) 上式中：【巾】一振型矩阵 当结构总体刚度矩阵 k 】有由损伤引起的刚度矩阵微小变化 a k 】时，则系统固有 频率c 0 2 与模态振型矩阵脚】也会随之出现相应的微小变化，假设系统固有频率2 与模 态振型矩阵【巾 微小变化为：2 与 却 ，则式( 2 3 ) 变为： ( ( 【k 】+ 口】) 一( c 0 2 + 2 ) m 】) ) ( 巾】+ 【巾】) = 0 ( 2 - 4 ) 由式( 2 4 ) 得到： 厨= 然器 ， 啪1 m 巾】 、7 若【舣。】表示由系统结构中第n 个单元出现损伤导致的结构刚度矩阵变化的变化 量，i 表示系统第i 阶模态，那么式( 2 5 ) 可表示为： 耐= 黼 ( 2 - 6 ) ( 1 ) 根据固有频率变化平方比 由于系统结构不同位置发生损伤引起的频率变化量不同，那么系统结构发生损伤 前后的任意两阶频率变化平方比只与损伤位置有关【3 2 1 ，因此可以根据频率变化平方比 识别出损伤的位置。 巾j 蝇】 巾， 苦= 勰 ( 2 7 ) ：脚j 呱狲， 、7 巾，】= f m 】 巾，】 式中：a c o ；一表示系统结构出现损伤后第i 阶固有频率 ；一表示系统结构出现损伤前第j 阶固有频率 ( 2 ) 根据固有频率损伤定位置信准则 假设 a c o ) 是系统结构出现损伤( 未知损伤位置以及损伤程度) 后的各阶固有频率 变化值， 6 ，是系统结构在第i 位置处单元出现己知损伤量的损伤后相应各阶固有频 率变化理论计算值，利用置信准则【3 3 】： 6 第2 章动力数据损伤识别理论 l a o r 6 ，1 2 心c ( f ) 2 面矿茜蒹蔷( 2 - 8 ) 当d l a c ( i ) = 0 时，即 ) 与 6 q ) 完全不相关，也就是第i 位置处单元未发生损 伤；当d l a c ( i ) = i 时，即损伤发生在i 位置处单元。在实际进行损伤识别中，d l a c 等于1 的情况较小会发生，因此需要判别处d l a c 最大值的位置，该位置即可能是实 际发生损伤的位置。根据固有频率损伤定位置信准则对单位置损伤定位具有很高的损 伤识别能力。 ( 3 ) 根据固有频率损伤多位置定位置信准则 d l a c 对系统结构损伤进行识别，必须要对系统各位置处损伤进行有限元计算， 这样才能建立起一个损伤识别的数据库。如果利用d l a c 方法对大型结构进行损伤识 别时，这样就会需要大量的时间以及人力、物力，因此就产生了如下的近似算法。 如前方所说，系统结构发生损伤时，系统的刚度矩阵就会随之发生变化，而系统 刚度矩阵是由组成系统的每个单元的单元刚度矩阵组成，据此引入单元刚度矩阵影响 因子d i ，其表示系统第j 单元的单刚矩阵降低的程度值【3 4 1 。若d j = i ，则表示第j 单元 单刚没有降低，该处没有出现损伤；d i _ 0 时，第j 单元的结构己完全损伤，其单元刚 度矩阵等于0 。那么系统刚度矩阵可以表示为： 为： k - d f k ( 2 - 9 ) 根据式( 2 9 ) ，一旦系统结构中出现任何损伤，那么系统固有频率变化量就近似变 式( 2 1 0 ) 即为： 6 l2 a - 码- 5 d 1 。哟o 。l8 d 2 + + 叱o c 。l 5 d i n 1 8 d 、 1 o u ，o d 。 6 旷玺崛+ 盟a d z 峨+ + 瑟哦6 旷茵崛+ 上峨t 一+ 茜6 d m 川一 k - 孙1 o d l d q p 0 1 9 1 5 t o ) = s a d ( 2 - l o ) ( 2 - 1 1 ) 呐一啵；鸭一哦 北京化工大学硕士学位论文 上式中： 5 ) 一由灵敏度矩阵计算得出的理论固有频率变化量 f 8 d 一单元刚度矩阵影响因子矢量 s 固有频率对单元刚度矩阵影响因子的灵敏度矩阵 将式( 2 1 1 ) 代入到式( 2