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导管架平台损伤检测及剩余寿命研究 摘要 由于海洋平台具有结构庞大、载荷复杂多变以及所处环境恶劣等特点，早期 的研究项目大多是对某些重要部位上节点的应力和加速度进行监测，来分析平台的 疲劳寿命及整体强度安全性评估。随着结构参数识别、损伤分析和安全度评估理论 及技术研究的不断深入，以及各种传感器元件、测试设备和计算机硬件、软件系统 的发展，海洋结构物的损伤检测以及实时监测与安全评估等方面的研究取得了很大 的进展。对于海洋平台，损伤的出现会不同程度地引起结构参数的改变，结构动力 特性能敏感地从整体上反映结构参数的变异，因此结构的动力检测是一种有效的检 测手段。 ( 1 )首先对某现役平台进行了模型试验，通过模拟不同损伤状态，采用动力学 的方法，试图通过频率、动力响应时间历程来说明损伤前后这些特性的变 化。特别指出了，当损伤很小时( 这些是工程中极为关心的内容) ，直接通 过这些动力学参数，很难发现损伤。 ( 2 )小波变换具有在时域和频域内表征信号局部特性的能力，能够在不同尺度 下对结构响应中的突变信号进行放大和识别。本文在位移模态振型的基础 上，提出了一种基于小波变换的结构损伤检测方法。将损伤前后结构的位移 模态振型差作为原始信号进行小尺度小波变换，选择性能优越的b i o r 6 8 小波，对损伤前后结构的位移模态振型差进行一维小尺度连续小波变换， 以损伤前后小波变换系数作为损伤指标，通过损伤指标的分布情况进行损 伤检测和定位通过损伤前后位移模态振型差小波变换系数的变化，可判定 损伤存在，确定损伤位置。并通过悬臂梁和海洋平台的数值模拟对该方法进 行了验证。 ( 3 )针对结构动力特性参数的变化可能很小从而不足以反映结构的这种早期微 小损伤。我们提出采用小波变换的方法来进行小损伤的检测，文中将结构的 频响函数( f r f ) 通过连续小波变换，加速度响应通过d a u b e c h i e s 6 小波进 行小波变换，从很好地预报了损伤的存在。这一结果还和所进行的模型试验 进行了对比，从而验证了本文方法的可行性。 ( 4 )小波包分析( w a v e l e tp a c k e ta n a l y s i s ) 能够为信号提供一更加精细的分析 方法，它将频带进行多层次划分，对多分辨分析没有细分的高频部分进一步 分解，并能够根据被分析信号的特征，自适应地选择相应频带，使之与信号 频谱匹配，从而提高了时频分辨率，因此小波包具有更广泛的应用价值。借 助小波包分析，进行多层次的高频和低频分解，更有效地发现信号奇异性， 找到与损伤对应的信号特征。针对本文的模型实验结果，本文采用小波包 方法，分别选用h a a r 小波、d a u b c c h i e sn ( n = 2 ，3 ，4 ) 、s y m l e t sn ( n = 2 ，3 ，4 ) 、 b i o r l 1 ，2 2 ，3 1 ，1 3 和r b i 0 2 2 ，3 1 ，4 4 等各种不同的小波作为小波基，对上述 加速度信号进行小波包变换。用各种小波进行小波包变换得到低频部分( a 1 ) 和高频部分( d 1 ) 。从而给出了损伤预测。 ( 5 )为了能够对受损平台的安全性作出合理的评价，本文针对某平台，首先针 对服役环境，详细地计算了环境载荷，并通过有限元模型计算了各个相关工 况下受损平台的名义应力分布。假定平台结构存在初始裂纹，本文采用m c 方法和裂纹扩展的p a r i s 公式，进行了受损平台的疲劳可靠性计算。 ( 6 )最后对本文所做的工作进行了总结，指出了下步应进行的研究工作。 关键词海洋平台，损伤检测，小波交换，动力学，剩余寿命 d a m a g ei d e n t i n c a = n o na n d r e s i d u a ll l f ee s t i o n f o r j a c k e tp l a t f o r m a b s t r a c t e a r l yr e s e a r c h e sa r cm a i n l yf o c u s e do nm o n i t o r i n gt h es t r e s sa n da c c e l e r a t i o na t s o m ei m p o r t a n tp o i n t ，a n a l y z i n gt h ef a t i g u el i f ea n dm a k i n ga s s e s s m e n to ft h ei n t e g r i t y a st h ed e v e l o p m e n to ft h et h e o r i e sa n dt e c h n i q u e so fp a r a m e t e rr e c o g n i t i o n , d a m a g e a n a l y s i s ，s a f e t ya s s e s s m e n ta n dt h ee m e r g e n c eo fh i g h - r e s o l u t i o ns e n s o ra n di n s t r u m e n t ， c o m p u t e r h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ec r a c kd e t e c t i o na n dr e a l - t i m em o n i t o r i n go f o f f s h o r es t r u c t u r ed e v e l o pq u i c k l y ac r a c ki nt h es t r u c t u r ew i l lc h a n g et h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r s a n dt h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sc a ns e n s i t i v e l yr e f l e c tt h es h i f to ft h e s t m c t u r a lp a r a m e t e r s t h u s ，t h ed y n a m i cd e t e c t i o ni sa ne f f e c t i v ew a yt of i n dd e f e c t s ( 1 ) am o d e lt e s ti sc a r r i e do u t t h ef r e q u e n c y ，f r fa n da c c e l e r a t i o nh i s t o r yf o r d i f f e r e n td a m a g ei sr e c o r d e d n a t u r a lf r e q u e n c yc a nb ee a s i l ym e a s u r e d ，b u ti tc a no n l y d e t e c tb r e a k a g eo fb e a m si nt h es t r u c t u r e m o d es h a p ec a l lp r o v i d em o r ei n f o r m a t i o no f t h ec r a c k i tc 蛐b eu s e dt op r e d i c tt h el o c a t i o na n dt h em a g n i t u d eo ft h ec r a c k b u ti t n e e d sal a r g en u m b e ro fs u r v e yp o i n t st oo b t a i n t h em o d a ls h a p e s f r f - d a t ac a nb e u s e dt od e t e c ta n yb r e a k a g eo fb e a mi nt h eo f f s h o r es t r u c t u r e ( 2 ) t h ew a v e l e tt r a n s f o r mh a sa na b i l i t yt op r e s e n tt h el o c a lc h a r a c t e r i c so fs i g n a li n b o t hf r e q u e n c ya n dt i m ed o m a i n i tc a nz o o mi na n dr e c o g n i z et h es i g n a la b r u p tc h a n g e s o fs t r u c t u r a lr e s p o n s e su n d e rd i f f e r e n ts c a l e s a na n a l y s i sm e t h o do fs t r u c t u r a ld a m a g e i d e n t i f i c a t i o ni sp r e s e n t e db a s e do n t h ew a v e l e tt r a n s f o r mf o rt h es t r u c t u r a lv i b r a t i o n d i s p l a c e m e n tm o d ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e i n t a c ts t r u c t u r ea n dt h ed a m a g e ds t r u c t u r e t h ea b r u p tc h a n g eo fw a v e l e tc o e f f i c i e n t si n d i c a t e st h a tt h e r ei ss o m ed a m a g eo r d u r e s m t h ep r e s e n tm e t h o di sv a l i d a t e dt h r o u g hac a n t i l e v e rb e a ma n dao f f s h o r ep l a t f o r m 0 ) t h ed a m a g ea td i f f e r e n tl o c a t i o n sc a nm a k et h ep a r a m e t e r sc h a n g ed i f f e r e n t l y h o w e v e re a r l yd a m a g e ( u s u a l l yv e r ys m a l l ) c a no n l ys l i g h t l yc h a n g es u c hp a r a m e t e r s w a v e l e tt r a n s f o r mc a nb ee m p l o y e dt od e t e c tt h es u b t l es h i f to ft h ep a r a m e t e r t h e p r e s e n tp a p e ra i m st ou s e t h ew a v e l e tt r a n s f o r mf o rt h ef r fa n da c c e l e r a t i o nr e s p o n s e h i s t o r yt od e t e c tt h es m a l ld a m a g e t h em o d e lt e s ti sc a r r i e dt ov e r i f i e dt h ep r o p o s e d m e t h o d ( 4 ) d a n b e e h i e s - 6 w a v e l e ti su s e da st h em o t h e rw a v e l e t a n d 6 - l a y e r m u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i sa r ep r o c e e d e d w h e nt h ec r a c kr a t i oi n c r e a s e s ，t h es i n g u l a r i t yo f t h ew a v e l e tc o e f f i c i e n t sb e c o m e sm o r ed i s t i n c t i fd i f f e r e n tw a v e l e t sa r ec h o s e na st h e w a v e l e tm o t h e rf u n c t i o n , t h ew a v e l e tt r a n s f o r mr e s u l t sw i l lb ed i f f e r e n t t h e d a n b e c h i e s 一6w a v e l e tc a ne f f i c i e n t l yu s e dt of i n dt h es i n g u l a r i t yo ft h ew a v e l e t c o e f f i c i e n t si nt h em u l t i r e s o l u t i o nw a v e l e tt r a n s f o r ma n a l y s i s ( 5 ) w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r mc a nb eu s e dt of i n dt h es i n g u l a r i t yo ft h es i g n 如s u c ha s f r fd a t aa n da c c e l e r a t i o nr e s p o n s e s oa st op r e d i c te a r l yc r a c k si nt h es t r u c t u r e a n o p t i m i z e dm o t h e rw a v e l e ti sc h o s e nf o r t h ee a r l yc r a c kd e t e c t i o ni nt h eo f f s h o r es t r u c t u r e u s i n gf r fd a t ao ra c c e l e r a t i o ns i g n a l ac r a c ko f 口- 0 1i nt h eb o t t o mo ft h es t r u c t u r e c a nb ed e t e c t e db yw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r mo ft h ef r fo rt h ea c c e l e r a t i o ns i g n a l ( 6 ) f i n a i l y ，s o m ef u t u r es u g g e s t i o ni sl i n e d k e y w o r d so f f s h o r ep l a t f o r m ，c r a c kd e t e c t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，s t r u c t u r a ld y n a m i c s ， r e s i d u a ll i f e 主要符号说明 k刚度矩阵 m质量矩阵 c阻尼矩阵 a结构的特征参数 五 第i 阶特征值 f ， 第f 阶振型 o j固有频率 嘞 单元损伤系数 面积损伤系数 4断口面积 a梁横截面的面积 6频率降低率 c振型曲率 q ) 第i 阶频率相对变化量 x位移响应向量 文速度响应向量 h )结构的频率响应函数( f r f ) v 第f 阶模态阻尼比 连续傅里叶变换 可积的实数空问 平方可积的实数空间 母小波函数 小波尺度函数 李普西兹( l i p s c h i t z ) 指数 待分析信号 信号在i 尺度上分解的低频 部分 信号在i 尺度上分解的高频 部分 弹性模量 密度 泊松比 爵即即即州州 吒s 优 e p ， 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 日期：。7 年石月i1 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在j 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 誓研 日期：d 7 年6 月i 日 指导教师签名： 文m 日期：1 争b 肘、日 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着社会的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的需求越来越大。当陆 上油气资源经过长时期大规模的开发之后，世界范围的油气勘探与开发转向了资 源丰富的占地球表面7 1 左右的辽阔的海洋，并逐渐形成了投资高、风险大并且高 新技术密集的能源工业新领域。海洋石油开发是海洋资源开发利用的一部分。目 前地球上有5 3 个国家( 或地区) 从事近海石油开发，2 2 个国家( 或地区) 从事近海天 然气开发。迄今为止，世界上约有4 3 0 个海上油田，年产油量约占世界原油总产量 的2 5 。 近年来，随着中国经济的持续高速发展，国内对原油资源的消费需求量将进 一步增大。受资源的地理分布条件和开采难度的制约，目前中国原油产量始终徘 徊在1 6 亿吨年左右，而且东部油田面临开采成本太高的压力和枯竭的威胁。本 国产量无法满足国内需要，今后新增的石油需求量绝大部分依靠进口。2 0 0 3 年， 中国进口石油直逼1 亿吨大关，并超过日本成为全球第二大石油净进口国。至1 j 2 0 2 0 年i ；i 后，中国的石油进口量有可能超过3 亿吨，成为世界第一大油品进口国。因此， 需求量一直在迅速增长，这也对开发海洋石油提出了最直接的要求。 另外，能源安全问题也是一个重要的因素。当前，我国石油进口主要来自中 东，然而由于伊朗核问题一直悬而未决，且有愈演愈烈的可能。若美国和以色列 对伊动武，伊朗领导人已经扬言将封锁霍尔姆兹海峡，届时中国将面临严峻的挑 战。再者，台湾问题也可能引发中美新的对抗，一旦美国封锁中国的油路马 六甲海峡，则中国也将被迫吞下缺乏石油的苦果，或者是向美国屈服。因此，我 国的能源安全问题是必须加速开发海洋石油最紧迫的原因。 我国海域辽阔，其中大陆架面积约有1 3 0 万平方公里，渤海，黄海，东海和南 海都有大面积的沉积盆地，其中具有油气勘探价值的面积在6 0 万平方公里以上， 即一半以上的海域有宝贵的石油。预测的石油储量达2 5 0 亿吨，这是我国海上石油 1 上海交通大学申请博士学位论文 天然气开发的丰富资源基础。而我国海洋石油勘探开发的历程起始于1 9 5 7 年，从 1 9 5 7 至1 9 7 9 年是我国海上石油开采的探索阶段，2 2 年共开采原油9 6 万吨；从1 9 7 9 年海上石油开发实行对外开放以来，我国的海上石油开发进入高速发展期，到2 0 0 0 年生产能力已达至0 2 0 0 0 万吨；2 0 0 5 年，我国的海上原油生产能力已达n 4 0 0 0 万吨。 目前海洋石油己成为我国重要的原油生产基地。 海洋石油开发是一项涉及多种学科和工艺部门的综合工程。作为海上石油资 源开发的大型基础性设施，海洋平台是海上生产作业和生活的基地，其所处的环 境十分复杂、恶劣，平台结构在海洋中长期承受着风、浪、流、冰及地震等多种 环境因素的干扰，在其长期的影响下，平台结构的抗力会衰减。造成结构损伤的 主要原因是结构的老化、腐蚀和交变循环载荷引起的疲劳损伤等。而且结构的某 些重要部件一旦发生损伤，在极端恶劣海况下，尤其是遇到巨大的风暴潮，破坏 范围会迅速扩展，可能很快导致整个结构的失效。海洋平台结构的失效破坏会直 接危及平台上人员的生命安全，并造成直接的重大经济损失和严重的海洋环境污 染以及社会影响。因此，了解平台结构的安全运行状况是一项非常重要且有实际 工程意义的工作【卜7 1 。此外，一旦发现结构存在缺陷，需要评估这种缺陷对结构安 全性的影响，比如是否能够承受住未来可能遭遇的极端载荷作用，在正常的服役 环境条件下，结构具有多少剩余寿命等等，这些问题同样是海洋平台安全性的另 一个重要方面 8 - 1 1 j 。 1 2 导管架海洋平台 海洋平台一般分为移动式平台 1 ，1 3 1 4 和固定式两类形式。导管架固定式平 台，是海洋工程领域广为应用的结构形式。导管架平台( 见图1 - i ) 主要由两大部分 组成。一部分是由导管架和钢管桩组成，用来支承上部设施与设备的基础结构， 通常称为支承结构；一部分是由甲板及其上的设备组成，用作收集和处理油气、 生活及其他用途的场所，统称为上部设施与设备。它由一系列的模块如钻探系统， 包含气涡轮、发电设备、泵、压缩机、燃气台、转式起动机、救生筏、直升飞机 平台、和包含居住与餐饮设施的起居单元。导管架是由腿柱和连接腿柱的纵横杆 系所构成的空间构架。腿柱是中空的，钢管桩通过腿柱打入海床，以便固定导管 2 第一章绪论 架；纵向与横向联系称为支撑，用于传递水平荷载，保证结构在施工和安装中整 体稳定。腿柱和桩共同作用构成了导管架平台的支承结构。位于桩顶以上，由板、 梁或立柱等构成的支撑框架结构称为甲板结构。在海洋开发中，广泛采用导管架 平台是由于导管架平台具有如下特 点： ( 1 ) 平台的支承结构是以圆钢管 为主要构件的钢结构，因此结构受力 状态较好。 ( 2 ) 由于桩是通过导管架腿柱打 入海床，因此在恶劣的海洋环境中， 桩打的准、打的直。 ( 3 ) 打桩作业大大简化，保证平 台结构的整体稳定性。 ( 4 ) 平台可以在陆上分块预制， 海上组装，保证施工质量，节约投资。 ( 5 ) 导管架平台设计、制造及安 装技术成熟，实践经验多，适用性强。 1 9 4 7 年在美国m e x i c og u l f 成功 安装了世界上第一座设备齐全的钢 质导管架平台，开创了海洋开发的新 图卜1 典型导管架式平台结构图 f i g l 一1 t h ej a c k e tp l a t f o r m 时期。我国第一座导管架平台是1 9 6 6 年1 2 月底成功安装在渤海湾水深6 米处的油田 上，它作为我国自行设计和建造的首座海上钻井装置载入我国海洋油气开发史册。 我国目前已建成使用的海洋平台有3 0 余座，平台结构型式主要是钢质导管架平台。 目前，我国在海洋平台的设计施工以及理论研究等方面都取得了很大成就，但是 和世界先进国家相比还有很大差距，这就要求工程技术人员及科研工作者不断努 为，为我国的油气事业做出更大的贡献。 目前人们已经发展了各种形式的导管架平台，它的应用范围从水深l o m 至2 0 0 m ( 见图1 2 所示) ，可惜目前我国导管架海洋平台的作业水深还有超过2 0 0 m 的。 3 上海交通大学申请博士学位论文 图卜2 各种式样的导管式平台 f i g1 2 d i f f e r e n tt y p eo f j a c k e tp l a t f o r m 1 3 海洋平台损伤检测 对于导管架海洋平台，主要的损伤形式包括以下几种：一为管接头焊接处的 裂缝；二为由点腐蚀或面积腐蚀引起的缺陷；三为构件局部发生变形。本论文主 要研究第一种损伤形式即管接头发生裂缝的情形。 平台构件上裂纹的出现，会不同程度地引起结构参数的改变，结构动力特性 能更敏感地从整体上反映结构参数的变异，因此关于结构模态的动力检测是一种 有效的检测手段。目前，许多研究是通过对实验模型的实验分析与理论计算，研 究损伤与结构模态参数变化的关系；有的研究还对无损伤的模型试验结果与现役 平台的实测结果进行了对比。 p a u l afv i e r o 和n c yr o i t m a n 对导管架平台进行了一些损伤检测方法应用的 4 第一章绪论 研列1 5 4 矾。他们依据相似理论设计并建造了固定式平台模型，根据服役十年平台 的最大可能发生损伤的部位，将杆件截断。通过自噪声带的强迫随机激励，测量 激振力和速度响应信号，利用快速富利叶变换和最小平方复指数法进行分析处理， 获得系统的频响函数，得出不同损伤时结构的前三阶弯曲模态，用实验手段寻求 有关模态特性参数与损伤之间的联系。所考虑的参数包括模态保证准则( m a c ) 和坐标模态保证准则( c o m a c ) 、模态曲率、模态形状变化比和模态正交向量相 对于模态主方向变化等，并对这些检测方法进行了评价。 d a l l i e lk a r u n a k a r a n 、m o r t e mb a r h e i m 和n i l ss p i d s o e 等【1 7 1 人对深水自升式平 台进行了全尺度测量，并与模型计算结果进行对比，对正常海况下平台的实测响 应与应用非线性时域分析得到的模拟响应进行了计算与研究。r n c o p p o l i n o 和s r u b i n 研究了深水导管架平台模型【1 8 l ，在海平面以上的结构布置测点，在不 同杆件失效时，研究结构的前2 5 阶固有频率和振型的变化量对损伤的敏感度。 m a t i a se 等人【1 9 】以四桩固定式平台为例，考虑各种因素对平台低阶频率的影响， 根据平台的甲板上的振动测量信号，来研究平台结构的完整性评估。l a l um a n g a l 等人1 2 0 】通过实验分析和数值模型计算，用脉冲和松驰响应，研究了固定式平台在 六个不同位置有损伤时以及甲板质量改变时的固有频率和时域响应。h y o n g m k i m 和t h c r d o r cj b a r t k o w i c z 通过实验手段【2 l 】，以桁架结构为研究对象，研究 刚度矩阵的变化以确定损伤。采用了二步检测法，即第一步首先确定损伤的大体 位置，第二步再确定构件损伤的具体位置。实际上，这种二步检测法也可以适用 于平台的损伤检测。另外，e t u b el s 、b r e n n a nf p 和d o v e rw d 【2 2 l 针对自升式平 台，研究了模拟工作状态下由于疲劳而引起的传递函数的变化。 在石油化工领域，国内外针对工业管道的检测，通常采用漏磁、超声波、荧 光磁粉和涡流等检测方法。在近十年以来，超声波检测方法出现了以电磁超声和 激光超声为代表的新的检测技术，以及将小波变换方法应用于超声波检测的信号 处理，大大提高了检测效果【2 3 1 。但在海洋平台的动力特性检测中，至今还未见到 有关将小波变换方法应用于海洋平台动力损伤检测的研究成果与报导。 5 上海交通大学申请博士学位论文 国内的损伤检测研究起步较晚，在海洋平台损伤检测方面，许多研究的重点 是建立检测与安全性评估系统，南海西部石油公司、渤海石油公司曾分别在与平 台结构强度有关的测试方面作了研究工作1 2 ，射。 自从1 9 9 1 年开始，中国科学院海洋工程研究中心与南海西部石油公司，对 南海北部湾导管架式生产平台进行了结构强度的全尺度原位监测研究。其监测的 主要内容包括如下两个方面，一是监测导管架关键节点的应力，给出动态应力的 长期分布情况；二是针对平台重要部位的加速度进行监测，给出平台的整体运行 性能。监测的主要内容包括对应力、加速度信号的长期分布，以及为了研究结构 的响应特性而进行的与外载荷大小密切相关的风浪流参数测量【2 2 6 l 。 渤海石油公司也针对导管架平台进行了平台结构安全性检测技术的研究，主 要内容为振动模态识别技术，包括基于振动响应和分析处理技术的频率偏移法等。 渤海石油公司还设立了科技攻关项目“海上结构物检测、维护和修理”，以e n s a 程序模块做为整个系统的核心，构建了损伤评估模块、加固及评估模块、应力比 汇总模块、极限承载力模块、裂纹评估模块和疲劳寿命预测模块。依此进行结构 实时安全监测系统的开发原理和系统实现，全天候地监测海洋平台结构工作性态 的变化过程和程度，把握平台结构损伤累积和安全度下降的状况。 据统计，全世界现有自升式、半潜式和坐底式钻井平台近六百条，我国有三 十余条，而固定式生产平台更多。国内的海洋平台检测技术起步晚，而且早期平 台的安全检测问题未被充分重视，许多研究的重点是建立安全性评估系统，而对 适用于平台结构裂纹损伤检测方法的研究很少，尤其是对早期裂纹损伤和多处损 伤进行检测与定位等方面的研究还没有见到。现在，许多现役平台逐渐达到设计 寿命，其安全问题将会越来越重要，而进行安全评估的最基础、最关键的工作就 是首先对平台结构的损伤情况有全面的了解，这就要对平台结构进行疲劳裂纹的 损伤检测。 1 4 基于小波分析的结构损伤检测进展 6 第一章绪论 对于复杂动力学系统损伤检测和故障诊断的信号分析方法，主要根据现场采 集的数据，分析结构的动态响应特性，来进行损伤的识别，在旋转机械的故障诊 断的应用中，信号分析法已发展为一项成熟的技术。利用信号分析法或基于结构 系统的动力学试验参数的方法。通过对应力、加速度信号的测量，对所获得的信 号进行数值滤波、进行快速富利叶变换( f f t ) ，进行频谱分析，得出结构的系统 动态特性参数，从而判断结构的安全状况。 裂纹损伤检测的关键就是处理损伤结构的振动信息，从中发现信号奇异性。 一般所采用的方法是根据傅里叶变换收敛于零的快慢来判定信号的奇异性及奇异 性强弱，但是，傅里叶变换缺乏局部性，傅里叶分析的时间分辩率和频率分辩率 是相互矛盾的，难以确定奇异点的位置与谱分布。 自二十世纪九十年代以来，小波方法应用于信号处理技术。用小波方法进行 信号分析，选择合适的小波基，将传感器检测到的信号在不同的尺度下的小波正 交基上进行分解，获得信号在各个尺度上的模值分布图，用正常结构信号与损伤 结构信号的小波分解进行对比，依此来发现奇异点。由于小波变换中引入了尺度 参数，构成的时间窗和频率窗使其在频率域内低频时有高的分辩率，而且在高频 时在时域内也有高的分辩率。小波变换这种新兴的时频分析方法，具有良好的时 频局部性，通过时频窗的灵活变换来突出损伤信号中的不同频率成分，有效地提 取损伤特征信息，便于准确识别损伤。它同时具有良好的时频局部性，因而对信 号奇异性、奇异点的位置及奇异度大小的分析很有效。小波分析在系统时变性分 析中，比短时傅里叶谱分析有更大的优越性1 2 。因此，小波分析在信号与图像 处理、量子场论、地震勘探、语音识别与合成、医学成像、流体力学、数值计算、 机器视觉、故障诊断、结构损伤检测等领域具有非常广阔的应用前景并且取得了 一定的研究进展【3 2 。叭。 目前小波方法已经成功地应用于机械设备早期损伤的特征提取，而且小波变 换方法也已开始用于石油化工工业管道的损伤检测。针对海洋平台检测信号具有 数据量大、信号中夹杂大量噪声的特点，而小波方法具有“数学显微镜”的美誉， 7 上海交通大学申请博士学位论文 因此，将小波方法用于平台结构疲劳裂纹的损伤检测，必将会大大改进现有的平 台检测技术，提高检测效率。 以下对小波分析应用于结构损伤检测做一较为的总结。 ( 1 ) 基于小波变换的损伤检测 近年来，小波分析被引入到土木工程结构损伤检测中来。k i s h i m o t o 等人州 采用连续小波变换对梁中弯曲波的传播进行了实验研究，为把小波变换应用到复 杂结构的损伤检测奠定了基础。k i t a d a 采用小波变换方法识别了非线性结构动力 系统【4 1 1 。g u r l e y 和k a r e e m 总结了小波变换在地震、风和海洋工程中应用的有效性 及可能性 4 2 1 。文献 4 3 ，4 4 发展了基于小波的分析技术，并将其用于分析空间分 布的结构响应信号，指出由于结构损伤所导致的响应信号的波动可以通过小波组 分进行辨识。h o u 等人【4 5 】应用d a u b e c h i e s 小波对结构动力模型和a s c e 的b e n c h m a r k 模型进行了损伤指示和损伤定位研究，并给出了信噪比和损伤可检测性分析的对 比图。证明了小波分析在结构损伤检测领域的巨大潜力，能够有效地监测到结构 发生了损伤，而且认为基于小波的损伤识别方法非常适合在线的结构健康监测， 同时还得出结论，认为该方法在有较大信号噪声和较低损伤率的情况下，其识别 能力受到限制。虽然其成果仅仅给出了应用小波分析可以进行结构损伤识别定时 和简单定位的验证，但是给小波分析在结构健康监测和损伤识别中的应用带来了 极大的希望。 小波系数通常在裂缝周围表现出非规则性，这种特性有助于识别结构损伤位 置。l i e w 等人【4 6 】利用小波理论对在横截面边缘具有不扩展开口裂缝的简支梁进行 了识别，并将特征值理论和小波理论进行对比，推导出裂缝梁的数学模型，提出 了空间域的小波表达式。在空间域内系统信号可以表示为常数和所有水平下的小 波分解之和，即： 2 1 一l “o ，o 砜+ 磊荟口：，( 2 k 七) ：o 矧( 1 - 1 ) 式中勺。为小波分解系数，通过分析系数勺+ 。的变化可以判定结构特性。 8 第一章绪论 q u e k 等人【4 7 1 研究了小波变换法用来识别裂纹时，各种条件对识别结果敏感性 的比较，他们比较了裂纹长度、开裂方向、裂纹形状以及边界条件等对识别敏感 性的影响，为小波用于裂纹检测提供了一些应于注意的问题。z h a n g 等人【4 8 】裂纹 会引起应力集中而造成应力分布的改变，利用小波分析对裂纹进行了检测。文献 4 7 和 4 8 都是在静力作用下测量含裂纹悬臂梁损伤信息作为小波分解的原始信 号，但在实际工程中静力实验要求较高且不易实现。 李洪泉等人【4 9 】通过一座三层钢筋混凝土框架的振动台试验，利用小波多分辨 率分析特点，将模型地震反应信号按不同频段分解，提取各频段的损伤信号特征。 通过低尺度上小波系数发生突变来判断损伤的出现，同时利用尺度谱来识别损伤 的位置。唐和生等人【5 0 】利用结构发生损伤时其固有频率在时频空间的突变，研究 了7 层框架结构的损伤定位，并讨论了小波基带宽的变化对结构损伤识别的影响。 田家勇等人【5 1 】采用m o r l e t d 、波对由回传一射线法计算出的含裂纹梁中的弯曲波进 行了分析，并由此确定出梁中裂纹的位置。文献 5 2 ，5 3 1 在此基础上用实验验证了 该方法的准确性和可靠性，并且对损伤程度进行了定性的估计。 郭健等人【5 4 l 应用两个小波分别对实时测试数据进行分解和重构表达信号特 征，通过多分辨率分析在时间域上监测桥梁的损伤时刻，为预警结构损伤提供了 依据。但其只能探明结构发生了损伤，却不能定位损伤。张伟伟等人1 5 5 】将小波多 分辨率分析应用于悬臂梁的裂纹检测，利用d b 2 和s y m 4 两种小波进行多分辨分析对 裂纹进行了定位。张兆德等人【5 6 】借助小波交换对频响函数进行分析，对海洋平台 进行损伤检测。孙增寿等人【5 7 1 利用双正交小波函数对损伤前后结构的曲率模态进 行小波变换，用损伤前后小波变换系数残差建立了结构损伤指标，通过小波变换 系数残差的分布统计情况判定损伤的存在，确定损伤位置和估计损伤程度，并通 过一简支梁的数值模拟对该方法进行了验证。 ( 2 )基于小波奇异性损伤检测 结构发生损伤时，在损伤处其挠度或模态振型的某阶导数存在不连续现象， 利用小波奇异性检测理论能够对该处不连续性进行检测，从而对损伤位置进行诊 9 上海交通大学申请博士学位论文 断。c o r b i n 等人【5 8 】分别对三自由度的弹簧一质量一阻尼系统、悬臂梁和美国土木 工程师学会( a s c e ) 结构健康监测基准模型共3 个算例进行了分析，并根据测得的 加速度信号，从小波分解高频细节部分得到了由于损伤所导致的奇异信号峰值， 然后根据峰值的时间和空间分布得到损伤的发生时刻和发生位置。h e r a 等人1 5 9 j 在c o r b i n 的基础上，对a s c e 健康监测基准结构小波损伤检测做了更详细的讨论。 分析了损伤发生时间、位置的检测以及噪声的影响。董广明等人【删研究了分离激 励和结构损伤两方面引起的响应信号奇异性的小波变换方法，并将该方法应用于 a s c e 结构健康监测基准有限元模型的分析中。仿真结果表明，该方法是有效的。 宁佐贵等人【6 1 】利用小波奇异性理论对结构损伤时的振动信号进行了分析，判 断了结构发生损伤的时刻，并给出了结构损伤的分类识别方法。h o n g 等人【6 2 】利用 小波奇异性对一个含有裂纹梁进行了损伤检测和诊断。首先利用小波变换对梁的 第一阶模态振型进行连续小波分析，通过数值模拟及实验分析发现，利用小波变 换模极大可以准确诊断出梁的损伤位置，为了对损伤程度进行诊断，以l i p s c h i t z 指数为指标，给出了奇异性指数与损伤程度的关系曲线，并且该方法具有一定的 抗噪能力。任宜春等人【6 3 l 将带裂缝简支梁的基本振型进行连续小波变换，从小波 系数在裂缝处出现模极大值可以识别出裂缝位置，利用由小波系数计算得到的 l i p s c h i t z 指数来识别裂缝深度，l i p s c h i t z 指数随着裂缝深度的增加而减小。邱颖 等人1 6 4 】根据小波奇异性检测原理，借助模态曲率损伤检测方法，提出了识别损伤 位置的指标c m s w ，并讨论了l i p s c h i t z 指数与损伤程度的关系。 ( 3 )基于小波包的损伤检测 由于小波变换在高频区域内分辨率较低，因此在识别包含接近高频部分的信 号是存在一定的困难，而小波包分析不仅对低频部分同时也对高频部分进行分解， 故小波包分析比多分辨分析更精细。孙国等人【6 5 】通过对应力波信号进行熵标准下 的最优小波包分解和对一定节点分解系数对应信号成分加以重构，提取实测信号 所包含的对应于缺陷部位的应力波反射特征信息，对结构进行损伤检测。实例分 析结果表明，所提出的方法对于那些无法直接判读反射波信息的测试信号，有着 1 0 第一章绪论 独特的优势，具有很好的准确性和灵活性，在桩基、锚杆及类似构件应力波无损 检测中具有非常重要的应用价值。丁幼亮等人【嘶】研究了基于小波包分析的结构实 时损伤报警技术，对环境振动信号进行小波包分解后获得节点能量谱，采用基于 m o n t e - c a r l o 方法计算得到的能量谱极值和变异指数两个指标作为简支梁裂缝损 伤的判据。通过数值模拟表明该技术能较敏感的发现简支梁的微小损伤，拓宽了 小波变换在结构健康监测和损伤诊断的应用范围。韩建刚等人【6 - 删提出了用于损 伤识别的小波包能量变化率指标，并根据此指标提出了用其进行损伤识别的实施 步骤。首先将所得的结构响应信号进行小波包分解，然后通过小波包能量变化率 指标进行损伤定位。通过数值模拟和三种不同损伤工况的梁体室内试验，证明所 提出的损伤指标可以准确地识别损伤位置。 y a n 等人【6 9 l 利用小波包技术对一个含有损伤的复合材料板的振动信号进行 了分析，将信号在小波包分解第五层各频带的能量进行无量纲处理作为损伤指数， 针对该材料板的损伤情况，讨论了损伤指数最大值和损伤程度的关系，以及该方 法所能检测到的最小损伤程度。 ( 4 )基于小波分析和神经网络联合的损伤检测 小波变换具有时频局部特性和变焦特性，而神经网络具有自学习、自适应、 鲁棒性、容错性和推广能力，把两者的优势结合起来为结构损伤检测开辟了一条 新的路径。邱颖等人【7 0 l 将固有频率进行归一化处理，作为神经网络的输入参数进 行结构损伤位置的检测，然后利用小波包技术对损伤结构的振动信号进行分解， 求出各频带内的能量作为网络输入参数，进行损伤程度的评估。s u n 等人【7 1 】和y a m lh 等人【7 2 分别对连续梁和复合材料板进行了损伤识别数值模拟，他们应用小波 包分解信号的能量来构造损伤信息，并通过神经网络对梁结构损伤进行了数值仿 真识别，并分析了测量噪声对损伤识别结果的影响，取得较好的识别结果。他们 的研究都把小波分析作为对测试信号进行特征提取的工具，从而大大提高了神经 网络的损伤识别精度。李宏男等人7 3 l 以美国土木工程师学会提出的基准结构为 例，对时域信号进行小波包分解到第六层，以各频带内的总能量作为神经网络的 上海交通大学申请博士学位论文 输入参数，阐述了结构损伤的发生、位置和程度诊断过程，并给出了满意的诊断 结果。鞠彦忠等人【7 4 】用小波和神经网络a r t 2 相结合的方法检测结构的损伤位置， 将小波变换作为神经网络的前处理来构造小波神经网络，通过数值试验检验了小 波消噪和小波神经网络损伤检测的能力，并且在一个框架结构模型上进行了实验 研究。研究结果表明，该网络具有较高的抗噪能力，并能对损伤位置进行较准确 的诊断。杜永峰等人【7 5 】采用小波分析对获得的结构动力响应进行小波分解，根据 各种响应信号对损伤的灵敏度选择损伤特征，从而识别结构出现损伤的时刻，以 实现对其监控；分别对结构第一层位移响应信号和加速度响应信号做小波包分解 得到各频段能量的特征向量，并分别作为特征参数输入到b p 神经网络中实现损伤 识别；比较了位移响应信号和加速度响应信号对损伤识别的灵敏性。模拟算例表 明，小波分析和b p 神经网络联合运用能准确地诊断结构损伤时刻、损伤位置和程 度，具有一定的可行性。 小波神经网络( w a v e l e tn e u r a ln e t w o r k ) 7 6 。7 8 1 是近年来发展起来的一种新型 人工神经网络方法