（安全技术及工程专业论文）基于频域系统辨识的石油K型井架结构损伤理论研究.pdf

r e s e a r c hi nd a m a g ed e t e c t i o nt h e o r yo fk t y p ed e r r i c k s t r u c t u r eb a s e do l lf r e q u e n c yd o m a i ns y s t e mi d e n t i f i c a t i o n r i gd e r r i c ki so n c o ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti nh o i s ts y s t e m p e o p l ec mi n s t a l lc r o w n b l o c ka n d h a n gt a c k l e , h o i s t i n gh o o ka n ds p e c i a lt o o l so ni ts o m ed e r r i c k si nu s i n gh a v eb e e nu s e df o ral o n gt i m ei n t h eo p e n , m a n yp a r t so ft h ed e r r i c kh a v ed i s t o r t i o na n dc o r r u p t i o no fd i f f e r e n tc x t e n l e n de n l a r g e ds c r e w t h u s , w em u s td e t e c te n de 删u a kt h ed a m a g ea n df u l l yr e a l i z ct h ea c t u a ls t a t u so ft h ed e r r i c k 醴l - u c t u f ei n 璐i n 参i f w e c a n f i n d t h e d a m a g e i m m e d i a t e l y , d i a g n o s e t h e l o c a t i o n a n d t h e e x t e n t o f t h e d a m a g e ，c o n s t i t u t e t h ec o r r e c ts e r v i c i n gs t r a 忙g y g a t t l m et h ea b i l i t yo fb e a r i n gt h ew e i g h to ft o a d , i ti s g o o dt op o s t p o n et h e b a t u r a l l i f e o f d e r r i c k a n d t o p r o v i d e t h e p r o o f o f u s i n g p r e s e n t d e r r i c k e c o n o m c a l l y , f u r t h e r m o r e ，i t i s v e r y i m p o r t a n tt oa v o i dd i s a s t e ra n dt op r o t e c tt h ep e o p l e sl i v e sa n de s t a t e t h e 咖d yo nd a m a g ei d e n t i f i c a t i o n o fd e r r i c ka n dm a k i n gp r o g r e s si n 酬u a t i i 喀t h ea b i l i t yo fl o a de n ds a f e t yh a si m p o r t a n tr e a l i s t i cv a l u ea n d t h c o f e d c ss i g n i f i c a n c e w u s t l y , o nt h eb a s i so fc o l l e c t i o na n da n a l y s i so fm u c hl i t e r a t u r e ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h et e c h n o l o g yo f s u u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o no fd o m e s t i ce n df o r e i g nr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o n , a n di n t r o d u c e dt h eb a s i c t h e o r yo fm o d a le x p e r i m e n ta n dt h eb a s i ct h e o r ye n dm e t h o do ft h ed e r r i c k sm o d a lp a r a m e t e rb a s e do n f r e q u e n c yd o m a i ns y s t e mi d e n t i f i c a t i o n s e c o n d l y , t h ed a m a g ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k si sd i s c u s s e da n da m l y t a l lo ft h e s es u c ha st h eb a s i ce o n s o p to fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s , t h ec h a r a c t e r i s t i c , t h em o d e l , i t s a l g o r i t h ma r ci n t r o d u c e di nt h i sp r o c e s s a tt h es a m ed i t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e sb pn e u r a ln e t w o r k s , b p c l a s s i ca l g o r i t h m t h el a v e n d e r - m a r q u a r d ta l 鲫t h mo nt h ec o n d i t i o no fo p t i m i z a t i o n , a n db pi e u i a l n e t w o r k st h a tr e a f i z e di nt h em 怕t l a bi nd 酏l i l s i ng e n e r a l , a i m i n ga tt h ep r o b l e mo nt h ed a m a g el o c a t i o ne n de x t e n to fj j l 6 0 4 1 kt y p ed e r r i c k , t h e m e t h o do fd a m a g ei d e n t i f i c a t i o nb a s e do na r t i f i c i a l l l r a ln e t w o r k si si n t r o d u c e d v i b r a t i o nm o d a la n a l y s i s t h e o r yi si n t e g r a t e dw i t hb pn e u r a ln e t w o r k ss oa st od e t e c td e r r i c k sd a m a g ew i t ht h eh e l po fa n s y sa n d m a t l a b ，a tt h es a m ct i m e ，i th a sb e e ns u c c e s s f u l i n d e 把c 吐n gd a m a g e dp o s i t i o na n de x t e n tl i k e l y o c c u r r i n g , t h em e t h o db a s e do nv i b r a t i o nm o d a la n a l y s i st h e o r ya n db pn e u r a ln e t w o r k si ss a t i s f i e di nt h i s p a p e r a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fp r e c i s i o no ft h em o d a la n a l y t i ca p p a r a t u sa n dt h et e c h n o l o g yo f i d e n t i f y i n gp a r a m e t e r , t h er e s u l t si st h a tt h en e u r a ln e t w o r ka p p l i e di ns t m c t u r ei sf e a s i b l ee n dh a v eg o o d a p p h 酬蛐p e r s p e c t i v e k e y w o r d s ：d e r r i c k s 丘叩n c yd o m a i n ： m o d a lp a r a m e t e r ；n e u r a ln e t w o r k ；d a m a g ei d e n t i f i c a t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意 作者签名：星垒壹幺日期：丝：! ：y 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 学位论文作者签名：易采抓 日期：0 7 3 z f 导师签名： 日期： - 7 岁l ，l 一 | 创新点摘要 1 、本文首次利用有限元软件a n s y $ 及m a t a b 程序将振动模态分析理论和b p 神经 网络相结合应用于石油井架损伤识别中，同时实现对损伤位置与损伤程度的识别，形成 一套基于振动模态分析理论和b p 神经网络的石油井架损伤识别方法，取得了较为满意的 效果。 i v 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 结构损伤问题是一直困扰着工程界的实际问题，围绕着怎样有效解决结构损伤检测 问题引发了学术界极大的研究兴趣，避免结构发生事故，延长结构的使用寿命，提高结 构整体可靠性、安全性是目前普遍关注的热点利用结构的动力反应或模态参数的变化， 采用参数识别方法确定结构的损伤位置和程度，也是现代结构安全性检测理论研究的前 沿课题。自2 0 世纪7 0 年代以来，随着振动测试技术和分析技术的发展，国际上广泛开 展了应用振动技术对机器设备与工程结构进行损伤诊断和监测的研究。1 9 r 7 5 年以来，该 领域的研究成果逐年增多，应用上也取得了不少经验。国际上先后召开有关状态损伤诊 断的学术会议。国内各大高等院校、科研院所、大型企业先后开展了有关结构损伤诊断 识别的研究工作，取得了喜人的成就，国内外科研工作者的辛勤耕耘，在这一科研领域 创造了丰硕的科研成果。 在油田钻探、修井作业中，石油并架是钻机起升设备的重要组成部分之一，起着安 放天车，悬挂游车、大钩及专用工具的重要作用。对于一些在役石油井架由于多年在野 外恶劣的环境下长期使用，许多构件会产生不同程度的变形、腐蚀及螺孔扩大，特别是 钻井作业承受多种载荷作用，随着服役时间的增长，其强度、刚度等性能必然下降，原 有的实际承载能力是否满足需要，石油井架的质量是否达到设计标准，诸如此类的问题 使得石油井架性能的损伤检测变得更为重要。事实上，石油井架的实际工作状况和可靠 性只有通过检测才能得到正确的评断，仅靠设计是解决不了的进行石油井架安全性检 测的目的和目标正是：通过一定的方式测试结构的实际状态参数，诊断结构的损伤并据 此评判结构的实际可靠度水平，为结构的加固和安全使用决策提供客观依据。因此，对 在役石油井架结构进行损伤检测和评估，充分了解石油井架的实际状况，如果能及时发 现损伤，并诊断出局部损伤的位置以及损伤程度，制定出正确的维修策略，及时修复， 恢复结构的承载能力，延长使用寿命，为经济可靠地使用现有石油井架提供依据；而且 对于避免灾难性事故的发生，保障人们的生命安全财产更为重要。开展石油井架结构损 伤识别研究，提高石油井架承载能力检测与安全评价水平，无疑具有重要的理论意义和 实用价值。 第1 章结构损伤识别 1 1 结构的损伤识别 第1 章结构损伤识别 对结构进行损伤探测的研究始于2 0 世纪4 0 年代l n 。结构中的损伤可定义为“结构 在服务期内其承载能力的下降”承载能力的下降通常是由结构构件内部或构件之间连 接出现损伤而引起的 2 1 。对于处于自然环境中的实际工程结构，由于受使用荷载的作用 和各种突发性因素的( 如台风、地震、严重超载、火灾、爆炸等) 影响，从服役开始就 面i 临着一个损伤积累的问题。严格地讲，结构的健康状态是不断地发生着变化。没有探 测到的损伤将降低结构的刚度和强度，从而引发更大的结构损伤积累，损伤积累到一定 程度将导致结构的突发性失效。为了保证结构的安全，人们很早就意识到应在结构服役 期充分了解结构的损伤状态及承载能力的变化，使损伤积累尚未达到威胁结构安全的程 度之前就能够被检测出来 1 1 1 损伤识别的目的 由于自然灾害或年久失修不可避免地将要产生微小损伤，微小损伤的不断积累发展， 损伤逐渐加重，从而使结构的安全受到威胁。需要建立检测结构损伤的方法从而能够快 速准确检测损伤的出现、损伤的位置及损伤严重程度。结构损伤位置和程度的准确检测 可以帮助人们对结构进行实时修复或改变结构的操作使用方法，以便降低结构损伤积累 的程度，对结构的可靠性进行合理评估。就问题本质而言，工程结构的损伤确定和质量 评估在同一个问题的不同侧面。因此，按不同的技术水平可将其分为4 个等级1 3 】： a 结构是否发生损伤 b 损伤部位的确定 c 损伤严重程度的判定 d 结构可维持的寿命 大多数的工程结构的损伤识别的研究都局限在第一、第二等级上，而第三、第四等 级的损伤识别还需要进一步的探讨。如果与结构模型联合起来，则可解决一部分等级三 的问题。如果要解决等级四的问题，则还需要断裂力学、疲劳寿命分析或结构设计评估 等多方面的知识。 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 1 2 损伤识别技术的分类 结构损伤识别技术可分为局部损伤识别( l o c a ld a m a g el d e n t i f i c a t i o n ) 技术和全局 损伤识别( g l o b a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n ) 技术局部损伤识别方法是传统的无损检测的 方法，主要用于探测结构的局部损伤，如超声波、x 光，磁粉和热成象等基于声学、光 学、热学，磁学和电学的方法这些技术虽然很先进，在技术上已经发展到了成熟期， 广泛应用于建筑、航天和船舶等领域 4 - 7 ，但都只适用于小型结构或材料的检测，而对 一些不可见、不开敞的部件难以检测。这些技术不仅无法实施，甚至要求结构的某些功 能停止使用、停止运转，这是很不经济的，以致无法做到更为严重的是，不能及时发 现间隔检测期内的损伤，有些重要部位一旦发生损伤，它的破损程度将发展很快，而在 未及时发现的情况下，就会很快导致整个结构的破环。对于压力容器、机翼和油箱等小 型有规则的结构，局部损伤识别技术是很好的识别方法，但对于大型、复杂的结构，这 种技术用来检测结构的每一部分是不可能的。因而，人们一直在寻找能适用于复杂结构 整体损伤评估的方法。 基于结构动力特性的结构损伤识别动态检验方法长期以来一直是学术界和工程界 关注的热点问题之一结构动态检测方法同传统的无损检测技术( 如x 射线探伤法，超 声波探伤等) 相比，具有信号易于提取、探测器可以安装在人们不易接近的构件部位( 或 者遥测) 、操作起来简便快捷、经济等优点。该检测技术可连续或间隔的对结构进行检测， 并可用来指导对损伤可疑部位的评估，提高检测效率。国内外许多学者、专家通过大量 的理论与试验研究，提出了多种结构损伤的检测技术【8 l 。 损伤识别技术一般是指全局损伤识别技术，损伤识别技术有很多种分类方法，可按 基于损伤检测所用的信息进行分类，也可按用不用有限元模型( f e m ) 进行分类，也可 按损伤检测的功能进行分类，也可按用不用先验知识进行分类，也可按损伤识别技术的 使用范围进行分类等等。由于结构早期损伤识别技术是一门新兴的多学科前沿知识交叉 的学科目前正处于蓬勃发展之中，因此，还很难非常确切地、科学地进行分类，也无 法评述哪种分类方法最好唧 基于振动的损伤识别方法按照所利用的特征量是否使用结构模型，可分为无模型识 别方法( n o n - m o d e lb a s e dm e t h o d s ) 和有模型识别方法( m o d e l - b a s e dm e t h o d s ) 无模型 识别方法不使用与结构模型有关的特征量，从振动的时程、频谱或时域分析推导而来， 通常用于机械的损伤识别；有模型识别方法使用结构模型，基本是有限元模型，使用的 是与结构模型有关的特征量，包括固有频率、模态振型、曲率模态、动柔度或动刚度以 及f e m 信息等。 无模型识别方法可分为时域方法、频域方法以及时频分析方法。有模型识别方法在 做法上有3 类：( 1 ) 根据己有的破损方案( 试验总结或分析计算获得) ，比较测量结果和 3 苎! 童竺塑塑鱼望型 破损方案所预示的结果，最接近的破损方案为破损状态，也称为前向问题；( 2 ) 指纹直 接识别，通过比较结构破损前后的指纹变化确定损伤；( 3 ) 模型修正方法，通过测量结 果反向识别出刚度、质量、阻尼及荷载变化，从而判别结构损伤，该法也称为反向问题。 1 1 3 国内外损伤识别的研究状况 目前，从公开发表的资料来看，根据损伤识别所用的信息来分析，损伤识别技术可 概括如下： ( 1 ) 基于固有频率变化的损伤识别技术 在2 0 世纪7 0 年代，文献 1 0 - 1 2 就开始研究结构自振频率和损伤的关系，到八十年 代中期，提出了一种确定损伤位置并估计其损伤程度的方法，损伤位置是通过实测自振 频率来确定的。 文献 a s 1 4 1f h 结构运动方程的摄动方程 【( 足+ 6 k ) 一 24 - a t 0 2 ) ( 肼+ a f ) 】( 中4 - a m ) - 0 ( 1 1 ) 仿照瑞利熵的形式定义自振频率 a 砰生攀苎丝2 ( 1 - 2 ) 群肘疵 利用单元损伤系数口。推出。频率变化平方比”是结构损伤程度和位置的函数，只 要通过试验测出其一系列频率和振型，利用该系数就能得出结构损伤的程度和损伤发生 的大致区域，文章通过数值模拟，证明了利用该参数对钢桁架结构的微小损伤进行识别 效果显著。 f a b r i z i ov e s t r o n i 等人在文献【1 5 】中通过振动的偏微分方程推出方程特征值是结构损 伤位置和程度的函数 善? o ) 一 ( r ，s ) ( ，- 1 , 2 , * oo y r ) ( 1 - 3 ) 式中，x ，s 分别表示损伤程度和位置向量；r 表示裂纹或损伤数。通过悬臂梁和连续 梁的振动试验，由结构损伤前后的最小频率差和理论自振频率相比较，定性的判断梁损 伤的程度和位置。 三瓴j ) 一m i l l 一哆d 忆2 ( 1 - 4 ) 三。 9 0 年代至今，中外学者提出了许多结构损伤识别的方法，并通过实例验证方法的可 行性和适用范围，为后续者进一步研究提供了宝贵的财富。 s a l a w u 在文献【1 6 】总结了以固有频率为诊断参数的结构损伤识别算法，指出对常规 结构的损伤评估有潜在的实用性，一般来讲能使频率变化5 的损伤是可以识别的。同 4 查壅至垫兰堕塑圭里墨生兰堡丝苎 时s a l a w u 也指出，并不是5 以上的频率变化都是结构的损伤，单用固有频率的方法不 能唯一确定损伤的位置，因为位置不同的损伤有可能产生相同的频率变化当损伤发生 在低应力区时，用频率进行检测的方法并不可靠 ( 2 ) 基于位移、应变模态参数变化的损伤识别技术0 7 1 文献 1 8 1 推导出关于结构应变的一阶变分关系，从中揭示出结构损伤定位的合理方 案并发现：用于损伤定位的物理量必须是局域量，且需满足2 个基本条件：1 ) 对局部 损伤敏感；2 ) 是位置坐标的单调函数。对于大多数模态，在局部损伤位置应变模态差有 明显的峰值。且峰值大小随损伤程度的增加而增加，因此，基于应变模态差值不仅可进 行局部损伤定位，而且可标定损伤的程度。与基于位移模态差值的损伤定位方法相比， 设计合理的分类准则可确保基于应变模态差值的损伤定位方法原则上不存在误定位的问 题，而具有最简拓扑结构的前向神经网络可自动提取这些准则。 文献 1 9 1 介绍了实验应变模态分析原理与方法，给出了应变模态的表达式及应变传 递函数矩阵的特点和测量方法 怛扣) i 畔( o j ) i f 扣) ( 1 - 5 ) 式中，恒和) 为应变模态； ，) 为外部激励力的傅立叶变换；【日( o o l 应变传 递函数矩阵，其元素a 二的物理意义为p 点激励时，q 点的应交 二一y 竽l 一 ( 1 6 ) 智屯( 1 一+ 2 属与 i 其中，九为第一阶振型的p 个分量； 砰等磊毛暑q 式中，k ，肘。，c 分别是1 r 瞵1 降l ，p 】r 【 f l p l ，1 7 【c l 的第i 个对角线元 素。当结构出现损伤时，损伤附近的区域将产生较显著的应力重分布，因此必将引起应 变模态的较大变化，对比损伤前后各阶应变模态，可以判断损伤的位置 对于大多数模态，在局部损伤位置应变模态差值有明显的峰值，且峰值大小随损伤 程度的增加而增加( 各阶应变模态的变化是不一样的) 因此，基于应变模态差值不仅可 进行局部损伤定位，而且可标定损伤的程度。 文献【2 0 】根据结构应变模态叠加原理，以一悬臂板为研究对象。利用r i d 法进行实 验应变模态分析，通过提取反映板结构裂纹故障存在及其位置的特征，建立相应的模式 识别向量及特征向量，进而利用模式识别技术，实现板结构裂纹位置的识别。 文献【1 9 】介绍了实验应变模态分析原理与方法，给出了应变模态的表达式及应变传 递函数矩阵的特点和测量方法，当结构出现损伤时，损伤附近的区域将产生较显著的应 第l 苹结构损伤识别 力重分布，因此必将引起应变模态的较大变化，对比损伤前后各阶应变模态，可以判断 损伤的位置。 文献 2 1 1 对以应变类参数( 应变、应变模态、曲率模态等) 为基础的损伤定位方法 和以位移类参数( 位移、位移模态、柔度矩阵等) 为基础的损伤定位方法的相互关系和 本质特征进行了系统的阐述，指出后者在理论上存在错误定位的隐患。 文献【2 2 】建立了结构应变矢量和结构应变模态矩阵、结构自振频率矩阵、结构位移模 态矩阵三者之间的一阶变分关系，从中揭示出无模态状态下结构损伤识别和定位的合理 方案。 文献【2 3 】把应变表示为位移振动模态的函数，采用变化率的方法进行结构损伤识别。 ( 3 ) 基于应变能的损伤识别技术“” 文献 2 4 1 阐述了结构裂纹位置识别的模态应变能法。首先采用有限元方法分析了裂 纹位置及深度对结构固有频率的影响，绘制了固有频率的改变量随裂纹位置的变化曲线， 并且将该曲线与有限元分析获得的模态应变能分布曲线及应变模态振型进行了对比分 析，然后利用结构固有频率的改变对裂纹位置进行识别，讨论了不同的单元划分和不同 模态阶数对裂纹位置识别的影响，对悬臂梁结构测试例子的分析表明，该方法能较好的 识别具有单个裂纹结构的裂纹位置。文献1 2 5 2 6 1 基于单元模态应变能概念提出了利用单 元模态能量变化率进行结构破损定位、由单元破损系数确定破损程度的识别方法。 1 p r ；二f 三 ( 1 - 7 ) 。m 鲁r l 。 c 目卜b 衙口_ ( 1 - 8 ) 式中，m 为模态数；凡为第j 个单元第i 阶模态的单元模态应变能变化率：c u 为应 交能变化量；口。为待定单元破损系数。这种方法对模态法假定做出修改，认为结构破损 与质量无关，仅用低阶模态就能进行破损识别，减少了模态截面对诊断结构的影响。 ( 4 ) 基于柔度变化的损伤识别技术“” 文献 2 7 1 通过估计结构损伤前后柔度矩阵的改变，对五跨连续梁桥进行了损伤诊断研 究。数值模拟结果表明，当结构损伤位置较少时，该方法不仅能探测结构损伤的出现和 位置，而且还能对损伤程度做出大概的判断。文献【2 8 】利用试验获得的一阶模态参数， 提出了一种桁架结构损伤识别的柔度阵法，结构损伤后引起柔度阵发生改变，从结构振 动特征方程出发，对柔度阵作关于结构物理参数变化量的一阶泰勒展开，可以确定结构 物理参数的变化量，识别结构损伤部位及损伤程度。文献1 2 9 1 研究了利用测量稳态柔度 矩阵来识别结构损伤的理论方法，提出了利用柔度矩阵进行模型修正的方法可确定结构 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 损伤的位置和程度，但其前提是需建立结构的有限元分析模型。 ( 5 ) 基于振型变化的损伤识别技术彻 文献 3 0 讨论了悬索桥加劲梁的累积损伤识别。识别基于比较完好桥的初始指纹与 损伤后的指纹。使用了三个基于f r f 的波形识别指标：w c c ，。，。与三个基于振型 的识别指标：屯。，柔度和曲率模态，作为指标来识别悬索桥加劲梁的模拟损伤，并 比较了他们的识别能力。结果表明：舵c 和，。识别损伤的能力优于，。，但都不能定 位损伤；柔度和曲率模态识别能力优于，。，并可以定位损伤。该文还发现应变模态 具有较好的损伤识别能力。柔度、曲率和应变模态可用于安全监测系统 ( 6 ) 基于神经网络的损伤识别技术o ” 文献1 3 1 提出一种基于人工神经网络( a n n 一a n i 矗d a l n e u r a l n e t w o r k ) 韵柔性结 构损伤模式识别方法，将神经网络用傲损伤模式的分类器。引入通过对输入模式的增强 来实现多种模式分类的函数连接型神经网络构成损伤模式识别方法。通过对柔性悬臂梁 结构的损伤识别实验表明，该方法运用于模式较少的场合非常有效，并且网络结构简单， 学习速度快。 文献 3 2 1 利用结构位移模态实验和应变模态试验参数和神经网络方法对结构损伤定 位和定量辨识问题进行了研究。为获得对结构损伤更加敏感的结构损伤识别指标，在分 析现有识别指标的基础上，提出了用于神经网络方法的六种基于结构模态试验参数的损 伤识别指标，并对它们进行了实例识别和比较研究。它们均能对结构的损伤进行预报， 其中应变类型的损伤识别指标对结构损伤的敏感度比位移类型的损伤识别指标高。 文献1 3 3 1 用实验模态分析与神经网络法相结合的方法，研究了位移频响函数指标、 应变频响函数指标和模态频率指标在结构损伤定位辨识中的灵敏性。 ( 7 ) 基于概率统计的结构损伤识别技术o ” 文献1 3 4 】从统计学的角度提出了损伤区域的判断分析法，将每一个可能的损伤状态 定义为一个随机总体，通过比较样本到每一个总体的距离来确定样本与哪个总体最靠近， 进而对损伤区域进行判断，避免了确定损伤单元数量时的主观判断，减少了误判风险 文献【3 5 】将损伤结构的变化看作是对完好结构参数的摄动，从概率的角度进行损伤 识别，使损伤识别更科学，更具有实际意义 7 第1 章结构损伤识别 频响函数( 传递函数) 是结构输入信号和输出信号的傅立叶变换( 拉普拉斯变换) 之比，结构频响函数( 传递函数) 包含了结构物理参数的所有信息，结构损伤的类型和 位置唯一地决定了频响函数( 传递函数) 的变化。正是基于频响函数( 传递函数) 的这 一性质，中外众多研究者将频响函数( 传递函数) 作为结构损伤识别的标示量。s k t h y a g a r a j a n 等1 3 7 1 利用频响函数研究了一个1 8 单元桁架结构一处损伤和多处损伤的问题。 该方法的基本原理是运用结构损伤前有限元模型基本信息和结构损伤后实测的部分频率 和振型，对结构的频响函数矩阵迸行分解，建立最小二乘函数，利用优化方法识别结构 损伤后刚度和阻尼的变化。该方法优点是实验测点少，缺点是由于只利用了结构损伤后 部分模态信息，一些有用的信息可能被丢失，从而影响识别的精度。m a r kj 嗍等提出了 一种利用传动函数( t r a n s m i t t a n c ef u n c t i o n ) 识别损伤的方法，传动函数的定义是结构上 任意二点加速度的互谱与二点中任意一点的自谱的比值。对于相同均方根幅值的随机激 励，传动函数是频响函数矩阵列的函数，与输入无关那么，复传动函数就描述了结构 性质的变化这样，结构复传动函数的最大变化就反映了结构损伤的情况。该方法的优 点是不需要先验知识和数学模型，便于进行在线检测，不足之处是测量点的数量和位置 影响识别的精度郑明刚】等利用频响函数的曲率研究了一斜拉索结构的损伤问题，该 方法是通过比较结构损伤前后频响函数的曲率变化大小确定结构损伤的位置和程度。其 原理类似于振型曲率法，但不需要测试振型，比振型曲率法识别效果好，缺点是位置识 别不够精确。李晏1 4 0 l 等利用应变频响函数研究了一箱型梁的损伤识别问题，其基本原理 是利用应交对结构局部损伤较敏感的特性，以两点应变的傅立叶变换之比，也即频响函 数之比作为损伤识别的敏感因子，当结构损伤发生时，该因子会发生显著的变化。该方 法的优点是易于对结构损伤进行定位。 除了上述损伤识别技术之外，还有遗传算法【1 l 、小波变换法旧、残余力向量法1 4 3 i 、 混合优化策略法1 4 4 1 以及模式识别方法“5 1 和基于模型修正理论的结构损伤检测方法【撕卅 等等。但所有这些方法各自都有不足之处，有待于我们迸一步研究解决。 1 1 4 结构损伤识别发展趋势 随着科学技术的进步，结构损伤识别将重点研究以下几个方面：( 1 ) 结构早期损伤 机理的研究；( 2 ) 识别小损伤的研究；( 3 ) 传感器的布置及其数量优化的研究；( 4 ) 研 究利用响应数据直接进行损伤识别：( 5 ) 在线损伤识别方法的研究；( 6 ) 非线性损伤识 别技术的研究；( 7 ) 基于信号处理技术的损伤识别方法的研究；( 8 ) 基于多学科交叉的 损伤识别技术的研究。 8 查鏖至垫堂堕堡圭堕塞兰兰垡丝苎 其中，基于多学科交叉的损伤识别技术更是研究的重点，因为各类大型复杂结构都 有自己的特点，包含了机械工程、建筑工程、材料工程和振动理论等多门学科知识，只 有把振动理论与信号处理、模式识别、人工智能、控制理论和材料结构等多学科技术结 合起来，才能进一步提高识别精度 1 2 本文进行的主要工作 在查阅了大量国内外损伤识别方面的文献资料的基础上，综合分析列举了国内外损 伤识别技术的研究现状，发展动态以及相关技术的发展。对实验模态分析的基本原理以 及基于频域系统辨识石油井架结构模态参数的基本理论、基本方法、神经网络的损伤识 别方法进行了探讨。构造了以频率和少数点模态分量的组合参数为损伤标识量的损伤识 别b p 神经网络模块。实现了b p 神经网络在m a t l a b 中损伤识别的算法，确定了一套基 于振动模态分析理论和b p 神经网络的石油井架损伤识别方法。 本文以j j l 6 0 4 1 k 型石油井架为例。对其结构的损伤定位与定量问题提出了人工神经 网络识别方法，利用有限元软 ；牛a n s y s 及m a t l a b 程序将振动模态分析理论和b p 神经 网络相结合应用于石油井架损伤识别中，分别实现对损伤位置与损伤程度的识别，归纳 起来，主要有以下几方面的内容： ( 1 ) 本文采用井架前部2 根立柱损伤可能性最大的1 2 个单元为研究对象，采取标准 弹性模量分别折减2 0 来模拟损伤程度，通过有限元软件分别计算出不同单元损伤2 0 下的前五阶固有频率和四个点在一阶模态下的四个分量作为训练损伤定位的神经网络的 训练样本。训练成功后，分别用3 单元损伤1 、5 、1 0 、2 0 、5 0 ，8 单元损伤1 0 、 2 0 和9 单元损伤5 、1 0 、2 0 共计1 0 种单损伤情况来对训练成功后的b p 神经网络进 行损伤位置识别效果的验证。 ( 2 ) 本文在构造了损伤定位识别的b p 神经网络模块成功的基础上，又创建了井架结 构损伤定量的b p 神经网络模块。在创建过程中，以每个单元在l ，5 、1 0 、3 0 、 5 0 五种不同程度损伤下前五阶固有频率为训练样本，采用相同的训练参数，共建立了6 个b p 神经网络，每个网络适用结构对称的两个单元。采用6 个不同损伤程度的单元对神 经网络的可行性进行了验证 9 第2 章结构模态参数识别 第2 章结构模态参数识别 2 1 模态、模态分析与模态实验 模态是结构的固有振动特性。每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。 这些模态参数可以由计算或实验分析取得。基于线性叠加原理，一个复杂的振动系统可 以分解为许多模态的叠加。这样一个分解过程称为模态分析。如果这个分解过程是由有 限元等计算的方法取得的则称为计算模态分析；如果通过实验采集的结构系统的输入与 输出信号经过参数识别获得模态参数，称为实验模态分析。通常模态分析都是指实验模 态分析。振动模态是弹性结构的固有、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结 构物在某一感兴趣的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预测结构在此频段在外部 或内部各种振源作用下的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及故障诊断等 的重要方法。 实验模态分析一般有以下几个步骤： ( 1 ) 实验测得激励( 输入未知) 和响应的时间历程，运用数字信号处理技术求得 频响函数( 传递函数) 或脉冲响应函数，得到系统的非参数模型； ( 2 ) 运用参数识别方法，求得系统的模态参数； ( 3 ) 如果有必要，进一步确定系统的物理参数。 因此，实验模态分析是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参 数识别等手段，进行系统识别的过程。 2 2 模态分析基本原理 结构的动态特性可由阶矩阵微分方程描述： 用嘭+艋+“一f(t、(2-1) 式中，o ) 为维激振力向量：z 、j 、j 分别为维位移、速度和加速度响应向量： 肼、k 、c 分别为结构的质量、刚度和阻尼矩阵，通常为实对称阶矩阵。 设系统的初始状态为零，对方程式( 2 1 ) 两边进行拉普拉斯变换，可以得到以复数 s 为变量的矩阵代数方程 i 雄2 + c s + k 仁o ) - f ( s ) ( 2 - 2 ) 式中的矩阵 z o ) i 如2 + c l + k l ( 2 3 ) 反映了系统动态特性，称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵。其逆阵 h o ) 呐2 + c s + k 】1 ( 2 - 4 ) 在上式中令j - 扣，即可得到系统在频域中输出( 响应向量圈d ) 和输入( 激振 向量f ( 功) 的关系式 式中h ( 为频率响应函数矩阵h ( 矩阵中第f 行第，列的元素 一锱 ( 2 刁) z ( - ( k 一2 l ，) + ，n c ( 2 - 8 ) 7 朋肇一f ，栉，】+妒7 只- f 七，1 其中矩阵，- 队，九，九 称为振型矩阵，假设阻尼矩阵c 也满足振型正交性关系 卯妒。f qi 荆节r 【4 式中z ，隹- - ( d 2 m ，) + ，饼， ( 2 - 9 ) 因此 c 甸- z 。力。1 - 妒f 。z ，j 妒7 啪，一耋丽矗( 2 - 1 0 ) 上式中，印蔓，| l m ，埘，哆， 辨，、七，分别称为第r 阶模态质量和模态刚度( 又称为广义质量和广义刚度) 0 , 1 r 、 和以分别称为第r 阶模态频率、模态阻尼比和模态振型。 不难发现，个自由度系统的频率响应，等于个单自由度系统频率响应的线形叠 1 1 苎! 兰竺塑堡查竺墼望型 加。为了确定全部模态参数q 、墓和咖( ，- 1 2 ，) ，实际上只需测量频率响应矩阵的 一列( 对应一点激振，各点测量的h ( 妨) 或一行( 对应依次各点激振，一点测量的日( 奶7 ) 就够了。 试验模态分析或模态参数识别的任务就是由一定频段内的实测频率响应函数数据， 确定系统的模态参数一一模态频率q 、模态阻尼比彭和振型拜陋。咖2 氟】， ，- 1 ，2 ，弹( 弗为系统在测试段内的模态数) 。 2 3 以模态分析为基础的损伤识别 众所周知，任何结构都可以看作由刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统，结构一 旦出现损伤，结构参数也随之发生改变，从而导致系统的频响函数和模态参数( 固有频 率、阻尼和振型等) 的改变，所以，结构的模态参数的改变可视为结构早期损伤发生的 标志，成为用振动方法进行结构损伤诊断的切入点。 在2 0 世纪6 0 年代末期，计算机飞速发展使得实验数据处理和数值计算技术出现了 崭新的面貌，为了适应现代工程技术要求，实验模态分析技术应运而生它通过对样机 或结构型式相同的原准样机的测试，将采集的测试数据应用相应的识别技术，识别系统 模态参数。 以实验模态分析为基础的损伤识别，是通过对结构进行模态分析，利用其振动响应 和系统动态特性进行结构损伤识别的。这种方法利用未损伤结构的数学模型连同未损伤 的振动试验数据作为探测有损结构的振动信息，与损伤结构的振动响应进行比较，从而 判断结构损伤的位置和损伤的程度。利用振动方法进行结构损伤识别的过程可以概述为 图2 1 所示。 尽管实验模态分析已成为结构动力分析的有效工具，模态参数的实验结果也能满足 工程要求的较高精度，但由于动态实验的经济性和复杂性，特别是在进行动力优化时， 反复实验有时几乎是不可能的。因此采用计算来进行实验前的预分析仍然是必不可少的 过程。根据结构计算分析的结果可以预示结构的主要模态特性；选择实验方法( 激振源 类型、实验频带、振级和频率分辨力要求等) ；选择激振点位置和测点位置及数量、测量 系统性能以及灵敏度设置等；确定参数识别算法并对实验结果做力学分析【耜l 。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图2 - 1 利用振动方法进行损伤识别示意图 f i g 2 - 1d a m a g ei d e n t i f i c a t i o nb yv i b r a t i o nm e t h o d 目前普遍认可的一种最有发展前景的方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试 技术、信号采集与分析、智能型传感器等跨学科技术的实验模态分析法，这种方法在发 达国家己被广泛应用于航空、航天、精密机床等领域的故障诊断、荷载识别和动力修改 等问题之中嗍结构损伤检测的方法很多。振动测试技术由于易于实现诊断系统的自动 化、小型化，理论基础雄厚、分析测试设备完善、诊断结果准确可靠，加上振动诊断具 有实时性、在线性、遥测性、可控性和提取信号的方便性等诸多优点而在工程诊断技术 中占主导地位，在结构损伤诊断中具有广阔的应用前景。 2 4 多自由度结构模态参数识别方法分类 模态参数识别是实验模态分析的核心。模态参数识别方法总体上按识别域可分为时 域识别法和频域识别法，其中频域识别法具有计算量相对小、实现过程简单、识别精度 高、对噪声小敏感等优点以频响函数( 传递函数) 为基础的参数识别称为频域模态参 数识别目前，频域参数识别仍然是模态分析的主流方法，图2 - 2 给出了频域模态识别 过程框图： 图2 - 2 频域法模态识别 f i g 2 2m o d e li d e n t i f i c a t i o no ff r e q u e n c yd o m a i n 墨! 兰丝塑堡查垒墼望型 ， 多自由度结构频域模态识别方法大致经历了三个发展阶段l 删：单输x l o - 输出识别法 ( s i s o 法) ，单输入，多输出识别法( s m o 法) ，多输入，多输出识别法( m i m o 法) 频域的识别方法在2 0 世纪3 0 年代已经开始。发展到5 0 年代末，模态分析技术仅限 于离散的稳态正弦激振方法。6 0 年代初，跟踪滤波器的问世使得模态试验技术成为切实 可行的技术，同时人们开始研究使用数字计算机对模态参数进行参数识别。这一时期发 展起来的分量分析方法和导纳圆识别法一般适用于模态稀疏的简单振动系统，对于模态 密集系统，这两种方法常常失效。基于数值拟合的正交多项式曲线拟合技术对于模态紧 密，有较大噪声污染的情况能得到良好的识别效果。7 0 年代中期以前发展成熟的模态分 析频率域方法中，有多点稳态正弦激振和单点激振频响函数法。6 0 年代末问世的快速傅 里叶变换( f i 丌) 计算方法使频响函数的测试与测定比用模拟量的测量节省了大量的时 间。此后许多新的实验激振方法也应运而生，其中脉冲、随机、伪随机等激振方法成为 模态分析的基本方法。尽管早期发展起来的单输入单输出( s i s o ) 与多输人多输出 ( m i m o ) 参数识别方法常常由于单点激振能量不够，传递过程中衰减能量过多，信噪 比低，识别结果误差大。但是，由于单点激振频响函数