（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）导管架海洋平台裂纹的振动诊断研究.pdf

大连理工大学硕十学 市论文 摘要 海洋平台结构长期服役在恶劣的海洋环境中，并受到各种载荷的交互作用，如风载 荷、波浪载荷、海流、冰载荷等，有时还要遭到地震、台风、海啸、船碰撞等意外事件， 结构本身还要遭受环境腐蚀、海洋生物附着、海底冲刷等影响。在动载荷作用下，导管 架海洋平台有时会产生结构裂纹。如果结构裂纹早期不能被发现，使裂纹不断扩展，将 会造成整个平台结构的破坏，导致重大的海损事故。因此，在发生海损事故静，及时发 现各构件存在的微裂纹是十分重要的。 本文基于振动诊断方法来诊断平台结构裂纹。主要工作包括三方面： ( 1 ) 以一综合性四腿导管架平台为例建立平台的有限元模型，讨论不同位置、不 同大小的裂纹对平台振动模态的影响。经过数值计算表明，平台构件发生小裂纹时，固 有频率变化不明显，很难通过平台损伤前后的频率变化柬诊断平台构件的损伤，而平台 构件损伤前后的振型变化比较明显； ( 2 ) 为了寻找平台构件裂纹的较好诊断指标，以梁为模型，讨论各指标对裂纹的 敏感性。在研究各种结构诊断指标的基础上，提出新的裂纹诊断指标一振型差值曲率。 经研究表明，本文的诊断指标较其他指标更为敏感。 ( 3 ) 运用本文提出的诊断指标对平台管件进行裂纹诊断。通过对平台桩腿和水平 杆的计算，验证了本文的裂纹诊断指标一一振型差值曲率对导管架平台的管构件同样适 用。 关键词：导管架海洋平台；振动模态；裂纹诊断；诊断指标 导管架海洋平台裂纹振动诊断研究 s t u d y o nv i b r a t i o nd i a g n o s i so fc r a c ki nt h ej a c k e tp l a t f o r m a b s t r a c t o f f s h o r ep l a t f o r ms t r u c t u r e ss e r v ei nt h ev i l eo c e a ne n v i r o n m e n ti na l o n gt e r r a ，a n dt h e y u n d e r g ot h ei n t e r a c t i o no fv a r i o u sl o a d s ，s u c ha sw i n dl o a d s ，w a v el o a d s ，c u r r e n t s ，a n di c e l o a d s ；s o m e t i m e st h e ya l s os u 触f r o me a r t h q u a k e s ，t y p h o o n s ，t s u n a m i s ，s h i pc o l l i s i o n sa n d o t h e ra c c i d e n t s ；n es t r u c t u r ei t s e l fa l s os u f f e r sf r o me n v i r o n m e n tc o r r o s i o n h a l o b i o s a c c r e t i n g 。s e a b e de f o d i n ga n ds oo n s o m e t i m e s ，t h eo f f s h o r ep l a t f o r ms t r u c t u r em a d eu po f p i p em a yc r a c ku n d e rd y n a m i cl o a d sc o n d i t i o n s i ft h es t r u c t u r a lc r a c k sc a nn o tb ef o u n do u t a h e a d ，i tw i l le x p a n da n dc a u s es t r u c t u r a ld a m a g et ot h ee n t i r ep l a t f o r m ，r e s u l t i n gi nf a t a l m a r i n ea c c i d e n t s t h e r e f o r e i ti si m p o r t a n tt 0d i s c o v e rt h ee x i s t e n c eo f t h em i c r o c r a c ki nt i m e b e f o r et h em a d n ea c c i d e n t so c c u r t 1 l i sp a p e r a d o p tt h ev i b r a t i o nd i a g n o s i sm e t h o dt od i a g n o s et h ep l a t f o r mc r a c k s m a j o r t a s k si n c l u d et h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) t a k i n gaa l l - a r o u n dp l a t f o r mw h i c hh a sf o u rl e g sa se x a m p l e ，f o u n d i n gt h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l ，d i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp o s i t i o n sa n dd i f f e r e n ts i z e so fc m c k so n p l a t f o r m sv i b r a t i o nm o d e 。t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h en a t u r a lf r e q u e n c yd on o t 、c h a n g es i g n i f i c a n t l yw h e nt h ec r a c k sa r es m a l l i nt h i sc a s e ，i ti sd i f f i c u l tt od i a g n o s et h e d a m n i f i c a t i o no fp l a t f o r mc o m p o n e n t sb yt h ec h a n g e so ft h ef r e q u e n c yb e f o r eo ra f t e rt h e d a m n i f i c a t i o n h o w e v e r , t h em o d e ls h a p ec h a n g e so b v i o u s l yb e f o r eo ra f t e rt h e d a m n i f i c a t i o n ( 2 ) i l lo r d e rt of i n dab e t t e ri n d e xf o rp l a t f o r mc r a c kd i a g n o s i s , u s i n gb e a ma sm o d e l ， d i s c u s s i n gt h es e n s i t i v i t yo f v a r i o u si n d e x s 协c r a c k s b a s e do nt h es t u d yo f v a d o u ss t r u c t u r a l d i a g n o s t i ci n d e x s ，w eb r i n gf o r w a r dan e wi n d e xf o rd i a g n o s i s - v i b r a t i o n a lm o d em a r g i n c u r v a t u r e s t u d yh a ss h o w nt h a tt h i si n d e xi sm o r es e n s i t i v et h a no t h e rd i a g n o s t i ci n d e x 。 ( 3 ) a d o p t i n gt h ei n d e xp u tf o r w a r di nt h i sp a p e rt od i a g n o s ec o m p o n e n t so f t h ep l a t f o r m t a k i n gt h el e gp i l ea n dh o r i z o n t a lb a ro f t h ep l a t f o r ma se x a m p l et ov e i l f yt h ei n d e xc a na l s o b ea p p l i e dt oc r a c kd i a g n o s i so f t h ep i p eo n p l a t f o r m k e yw o r d ：j a c k e tp l a t f o r m ；v i b r a t i o nm o d a l ；c r a c kd i a g n o s i s ；d i a g n o s t i ci n d e x 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：恳i 丝丝1 日期； 缈6 2 。 大连理工大学硕士研究生学 ：i 7 _ 论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 拉缉聋 丝丝盗 勉16 年j l 月且同 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 损伤诊断技术的重要意义 工程结构如高层建筑、桥梁、海洋平台等，由于地震、火灾、台风等自然灾害或长 期作用的疲劳、腐蚀等原因将使结构产生不同程度的损伤，损伤在其服役期间不可避免， 结构损伤在经过累积之后，必然导致结构性能降低i l 】大型工程结构一旦出现事故，带 来的生命和财产损失将是巨大的，对社会的影响更是深远和难以估量的。特别对于海洋 平台而言，其结构复杂，造价昂贵，一旦发生事故，不仅会对海洋环境造成很大的污染， 还会带来不可估量的经济损失和人员伤亡，造成不良的社会政治影响。因此，海洋平台 结构的裂纹诊断的研究课题具有重要的理论意义和应用价值1 2 】。 2 0 世纪7 0 年代航天和航空领域的研究人员开始研究结构健康监测技术，该技术是 结构损伤检测监测实时进行的全过程，利用结构的某些测试信息，运用一定的数学方法 来判定结构是否损伤、损伤位置及损伤程度。基于振动测试技术的大型工程结构健康监 测是一个多学科交叉的新研究领域，也是近年来国内外研究的热点和难点。在实践方面， 结构健康监测技术在航天航空工程和机械工程领域己有成功运用的实例，但是大型海洋 工程结构与航天航空和机械等结构有明显的差别，比如海洋结构复杂、尺寸大、质量重， 具有较低的固有频率和振动水平，而且结构的动力响应易受到环境因素以及非结构构件 因素的影响，实际结构的不确定性比单个构件要高得多，并且该系统的激振力不易测试 得到【3 j 。因此，给海洋结构如海洋平台结构的健康监测提出了许多堕待解决的问题。 众所周知，海洋平台结构长期服役在恶劣的海洋环境中，并受到各种载荷的交互作 用，如风载荷、波浪载荷、海流和冰载荷等，有时还要遭到地震、台风、海啸和船碰撞 等意外事件，结构本身还要遭受环境腐蚀、海洋生物附着、海底冲刷等影响。在这些恶 劣的环境载荷长期作用下，再加上设计或使用的不当，结构容易产生各种形式的损伤， 使结构的承载能力下降，严重的还会导致平台失效 4 1 。在国内外海洋开发工程中，曾发 生过多起灾难性海洋平台事故，造成了巨大的人员伤亡、经济损失以及不良的社会影响。 例如，1 9 6 7 年s e d e 0 1 3 5 型半潜式三角型平台在进行采油作业时，其尾部的水平撑杆破 坏；同年五月，在美国墨西哥湾，r a n g e ri 号自升式钻井平台后腿柱破坏失效，致使平 台失去平衡，甲板倾斜坠落，并使前腿弯折屈曲而导致整座平台最终完全破坏：1 9 8 0 年3 月，北海的一座生活供应平台a l ，k i e l l a n d 号撑杆处的水声器支座萌生的疲劳裂纹 发生扩展，致使撑杆折断破坏，并导致与所支撑的承重腿柱相连的其它五根撑杆也因过 载而破坏，随后承重腿柱失稳，平台失去平衡，二十分钟后平台全部倾覆，1 2 3 人丧生， 导管架海洋平台裂纹振动诊断研究 造成巨大的经济损失；2 0 0 1 年世界上最大的半浮动式海上油井平台，巴西p 3 6 号平台 沉入大西洋底，该平台耗资3 5 6 亿美元，仅事故造成的油井停产就便巴西每天损失3 0 0 多万美元，该平台的沉没给巴西造成了巨大的经济损失和环境污染问题。我国于1 9 6 6 年1 2 月底成功地在渤海湾安装了第一座导管架平台。虽然从那时算起，我国海洋平台 发展史不过仅3 0 多年，然而事故也不少。如，1 9 6 9 年我国渤海2 号平台被海冰推倒， 并使一号平台严重受损，造成直接经济损失2 0 0 0 多万元；1 9 7 4 年海冰推倒了渤海四号 平台的烽火台，等等。除此之外，多个平台在风浪、海流和地震作用下产生过剧烈的振 动【5 1 。 随着石油开采向海洋发展，海洋平台的数量成倍增加，合适的设计方法确保结构能 够抵抗住不可预测的载荷，但是损伤在海洋平台结构的服役期间是不可避免的 ( i d i c h a n d y ，g a n a p a t h y ) 1 6 1 ，可行的方法是诊断出结构的损伤，并能及时进行修复。由此可 见，提高海洋平台结构及设备的可靠性，确保海洋作业安全的问题日益突出，新平台的 性能评价、旧平台的残余寿命估计和在役平台的结构安全保证将成为曰益突出的问题， 海洋平台结构的健康监测与损伤诊断己成为刻不容缓的重要课题，而且，这一技术的发 展将带动陆地重大工程结构健康监测技术的发展和应用，具有广阔的应用前景。 1 2 结构损伤识别的分类 结构损伤识别技术属于工程故障诊断的范畴。经过各国专家、学者以及广大工程技 术人员的共同努力，故障诊断无论在深度方面还是在广度方面都取得了前所未有的发 展，新的诊断理论不断产生，诊断手段不断完善。故障诊断的理论、方法日趋科学化、 实用化。 损伤识别技术可分为局部损伤识j | j u ( l o c a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n ) 技术与全局损伤识 ，j i j ( 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。局部损伤识别技术主要用于探测结构的局部损伤。 该技术分为两类：一类是利用染色渗透、x 射线、y 射线、光干涉、超声波和电磁学监测 等技术对结构的某些局部表面进行定期检查。染色渗透技术是对结构的某些局部进行定 期涂层，涂料则渗透到裂缝里，观察表面就可发现表面的裂纹；x 射线、y 射线探伤技 术是利用构件的x 射线、y 射线照片进行损伤识别：超声波技术是向构件发射高频声波并 测量折射情况，从而识别出结构的损伤、复合材料的分层和其它损伤：电磁学监测技术 是利用涡流和磁场的原理进行识别结构的损伤和复合材料的分层。这类技术在应用上有 很多缺点：一是一些不可见、不开敞的部件难以监测：二是对于一些大型结构特别是比较 复杂的大型结构的检测是不可能的：三是这类技术要求监测人员必须到现场才能检测另 外一种局部识别技术是把传感器( 如光纤传感器) 固定在一些重要部件中，从而对这些部 大连理工大学硕士学位论文 件进行远距离检测。该技术在公路、桥梁和建筑上有很多应用。其优点是可以直接确定 构件的裂纹及其位置。但对于大型、复杂结构，这种技术用来检测结构的每一部分是不 可能的。因此，局部损伤识别技术仅用于检测结构的特别部件。 为了解决整个结构特别是大型复杂结构的损伤识别问题，提出了许多全局损伤识别 方法。任何结构系统都可以看作是刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统，结构一旦出 现损伤，结构参数随之发生变化，从而导致系统的频率响应函数( 频率和振型等) 的改变， 所以结构的模态参数的改变可以视为结构早期损伤发生的标志。利用损伤发生前后结构 动态特性的变化来诊断结构早期损伤的方法，从理论上来讲，其优点是可将振动的外界 因素作为激励源，损伤检测的过程不影响结构的正常使用，能方便地完成结构早期损伤 的检测和识别。 根据损伤识别水平可以分为：( 1 ) 发现结构损伤的方法。即发现损伤存在但不能进 一步给出损伤的信息。( 2 ) 结构损伤定位的方法。即能够确定损伤位置的方法，在确定 损伤出现的同时确定损伤的位置对于实用来说意义十分重大，因为确定损伤的位置，即 使是大致范围的确定也可以大大缩小人工损伤检查的工作量，特别是大型结构，在一定 范围内进行损伤检查的工作量就变得可以接受了。( 3 ) 损伤程度评估的方法。如果在确 定损伤位置的同时还能确定损伤的程度，结构的使用者就可以根据损伤的程度来进行运 行决策，如果损伤特别严重，决策者就可以决定是否停产检修，这对于保证安全运行和 避免生命财产的损失是十分必要的。 根据基准指标体系分类可以分为：( 1 ) 基于测试固有频率的方法。这一类方法测试结 构系统的固有频率，根据固有频率的改变来识别结构的损伤。由于结构发生损伤后结构 的固有频率必然发生变化，因此可以进行损伤识别。这种方法的优点是测试固有频率的 工作量较小，测量仪器的数量也较小，容易实施；缺点是实测频率只有前几阶的精度较 高，对于大型结构的损伤识别来说，企图用前几阶的频率变化来识别损伤的位置和程度 困难较大。( 2 ) 基于测试模态的方法。这一种方法测试固有频率、振型和阻尼，利用模 态( 频率、振型和阻尼) 的变化来反推结构的损伤。缺点是测试的工作量较大。( 3 ) 基于 测试频率响应函数的方法。该方法通过测试频率响应函数的改变来进行损伤识别，频率 响应函数的测试要求测试结构的激励即荷载，但是对于在役的工程结构来说，荷载是很 难测到的。( 4 ) 基于测试应变模态的方法。一般来说，局部的损伤会在损伤部位的附近 产生较大的应力变化量，这会使应变模态的变化比位移模态的变化剧烈，在这个意义上 说，应变模态用于损伤识别应该比用位移模态更灵敏。 导管架海洋平台裂纹振动诊断研究 1 3 结构损伤识别的技术手段 检测结构损伤的方法从大类讲可分为有损检测和无损检测。目前，有损检测方法用 得较少，它主要应用于故障解剖，以期详细研究损伤产生及形成机理，主要应用于科研。 无损检测的方法很多，总结起来可分为直接检测与闯接检测。其中直接测试方法由 于不能实时、在线、全局地对结构进行监测，只能用于静态测试。但直接测试方法使用 的仪器少，成本低，操作简便，结果准确可靠。间接测试是一种动态测试方法，其实时 性、在线性满足了人们对正在运行的设备、工程结构进行监测和诊断的要求，为人们所 重视。但间接测试方法所依赖的测试仪器多，测试程序复杂，测试结果存在误判、漏判 和模糊判断的特点。 从故障诊断的手段上来讲，目前已基本形成以振动测试技术、油液分析技术、温度 监测技术以及无损检测技术等为主要手段的局面【7 】 ( 1 ) 振动诊断技术 振动诊断技术属于间接测试方法，它利用结构的振动响应和系统的动态特性参数进 行结构故障识别，是目前国内外故障识别研究中的热点。振动诊断技术由于其理论基础 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结构诊断技术体系中占主导地位，在 结构损伤诊断中具有广阔的前景。其不足之处在于振动诊断技术涉及信息传感、振动测 试、信号处理等诸多领域，因而对设备诊断技术人员的要求较高。 ( 2 ) 油液分析技术 以光谱分析和铁谱分析为代表的油液分析技术，具有信息集成度高的显著特点。所 谓信息集成度高是指对某一工程结构进行故障诊断时，只要所经过的部位，其故障一般 可通过对该处的油液进行取样分析诊断出来。但该技术只能适用磨损类故障且诊断周期 长，而且一般只能在实验室内进行，诊断结果受操作人员的影响大。油液分析技术常用 于液压系统和润滑系统的故障诊断。 ( 3 ) 温度监测技术 正如人的体温可用其健康检查，温度参数也常用于设备的故障诊断。其中接触式测 温多用于需要连续监测或不可观察的部位，非接触式测温则多用于危险部位或不易接近 的部位。 ( 4 ) 无损检测技术 所谓无损检测或无损探伤，就是利用物质的某一物理性质因缺陷存在而发生变化 的特点，在不破坏被检对象的前提下，对其进行检测，以探测其中是否有缺陷存在的一 门综合性诊断技术，显著特点在于其无损性。无损探伤是上个世纪五、六十年代在发达 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 国家首先发展起来的，目前其技术手段主要有射线探伤、超声探伤、磁力探伤和渗透探 伤等，众多研究者正试图把振动模态分析技术发展成为一种新的结构无损检测技术。 1 4 损伤诊断技术的发展现状 当前的结构损伤检测的方法很多，除了人工目测外，还有超声波、磁场法、放射法、 热力场等局部检测方法 8 - - l l 】。然而，较弱的视觉观测条件以及损伤部位有可能被生长的 海洋生物覆盖着，所以利用这类局部损伤检测技术方法对海洋平台结构进行损伤诊断是 不可靠的( c r o h a s ，l e p e r t ) i 幽。此外，这些技术要求结构的损伤区域己知作为先决条件 1 3 1 ， 要求配备特殊额外的测试设备和专业人员，因此，这些方法的检测成本较昂贵。与上述 方法相比较，基于振动测试的结构健康监测技术是相对简单、成本较低的，被公认为是 较有发展前景的全局性损伤诊断方法。这种方法的基本原理是：损伤将导致结构的系统 刚度和阻尼矩阵发生改变，因而导致结构的动力特性参数( 如结构的频响函数，模态参 数等) 的变化。换言之，结构动力特性参数能够作为结构损伤诊断的指标【1 4 】。这类方法 最突出的优点是利用环境激励下的动力响应测试进行损伤诊断，整个损伤诊断操作过程 不会影响结构的正常工作。 基于振动测试的结构健康监测系统的实施，需要发展出与结构环境激励下的模态参 数识别技术相结合的结构损伤诊断算法，环境激励下的所识别的结构模态参数无法质量 归一化，以及实际测试模态参数的不完备( 结构转动自由度无法测试，仅仅能够得到结 构的低阶模态) ，现有的方法无法适用于上述局限性，这使得结构损伤诊断算法的研究 开发成为海洋平台结构健康监测系统实现的大难关。近年来，随着计算机硬件软件技 术、信号处理、数据远程传输、传感器技术、结构振动测试、模念参数识别技术以及损 伤诊断算法的发展，健康监测技术在其它领域，如航空、桥梁、旋转机械方面得到了迅 速发展，然而在海洋平台结构损伤诊断和实时监测的健康监测系统研究方面【1 6 1 ，尽管取 得了定的研究进展，但尚未达到实际应用的水平，仍然存在许多巫待解决的问题。 本节综述了结构健康监测技术在具体结构物上的应用及研究，说明该项技术在众多 的研究领域有较大的应用潜力。本文主要综述了在海洋平台结构以及其它土木工程结构 物上的应用研究。 ( 1 ) 海洋平台 关于海洋平台的健康检测的研究开始于2 0 世纪7 0 年代，但到目前为止研究工作还 开展得不多，采用的方法各异，现将主要的研究结果叙述如下： v a n d i v e r t ”1 检测了一个钢桩支撑的近海灯塔的损伤( 是由船只碰撞引起的) 。目测 的检查结果表明在水平面以上没有损伤。在碰撞之前己经测得了两个基本的弯曲模态频 导管架海洋平台裂纹振动诊断研究 率和第一阶扭转模态频率。通过计算机模拟，系统地拆除每个结构单元，可以算出固有 频率的改变，仅由三个安装在甲板上的加速度计来测得固有频率，而研究表明固有频率 的变化对于损伤诊断并不够。计算中的主耍误差源与平台上的油箱中的液体有关，但是 在大多数情况下，这种不确定性对算得的固有频率变化的影响小于一个失效构件的影 响。得出的结论为该平台没有损伤，这一结论也被后来进行的潜水员超声波检测证实了。 b e g g f t ”】讨论了一个4 8 米高的北海平台模型的测试结果，这个平台模型有四个桩 腿，k 型支撑，并由一个电动振动器施加正弦和随机激励。他q 3 y , j 试了一系列构件失效 所引起的结构前三阶固有频率的变化。这些失效使固有频率产生变化的程度从5 到 3 0 ，而且他们还报告，对一1 6 个桩腿、多加一个额钋支的北海平台测试，固有频率 产生1 0 的变化。测得的频率变化降到感兴趣频段( 通常是0 4 h z 到l o h z ) 表明前面所观 测到的损伤水平可以被准确检测到。互能量谱用来估算结构的振型，桩给能量谱带来非 线性的影响，这些非线性影响是由导管架腿中的桩和导管架腿之间的灌浆并不充分造成 的。 l o l a n d 和d o d d s 19 】讨论了对三个北海平台六个月到九个月的监测所得到的实际经 验。讨论了平台的几何形状、设备装置、测试时的环境条件和系统的耗费。在实际的应 用中，谱的变化不超过3 。这些变化是由于甲板质量的改变和潮汐的变化( 水平面的变 化将改变结构有效质量) 。微小的结构变化就会引起测试固有频率1 0 到1 5 的变化。 而跟踪这些频率需要识别相应的振型。 o s e g u c d a 【硎阐述了一个在水槽中测试某导管架海洋平台的9 0 英寸高的模型的动力 特性改变的项目。所测试的三种损伤情况是通过在导管架的不同位置割1 2 1 来实现的。每 种损伤情况重复五次，以得到测试数据在统计上的变化。用电动振动器在模型的顶部施 加正弦和随机激励，结构响应由2 4 个加速度计来监测。测试在水槽中有水和没有水两 种情况下进行，由测试数据计算出固有频率和振型。在有损伤的情况下，固有频率降低， 此频率降低比测试的标准差大一个数量级。作者提出为了准确跟踪固有频率的改变，必 须识别与这些频率有关的振型。 s w a m i d a s 和c h e n 提出了一种识别三角架塔式平台模型损伤的技术。三角架8 6 m 高，是对一个实际的海洋平台结构按1 ：5 0 的比例缩小的结果。作者由l u d t 和应变计测 得的频响函数( f r f s ) 检测到振型、频率和阻尼比的变化。损伤的位置由检测到最大变化 的传感器的位置来推断。 k o n d o 和h a m a m o t o t 2 2 用两步的方法进行海洋平台的损伤检测，先是利用损伤前后 的模态曲率变化来确定包含损伤单元的损伤区域，然后利用逆模态扰动法确定具体的损 伤单元位置和损伤程度。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 b r i n c k e r 等将a r m a 田! 模型应用于一个海洋平台结构所测得的加速度时程，估算平 台固有频率和模型阻尼水平的变化。这个平台建于1 9 9 3 年，是一个5 8 mx2 0 m 、群桩、 钢筋混凝土结构，并且支撑了一个上部钢结构。此平台处于3 0 m 水深处。1 2 个月间隔 前后的两组测试结果表明，结构的前两阶固有频率有明显的变化。作者能够确定损伤引 起的、基础条件的改变和海生物引起的质量增加等影响结构固有频率的改变。 k i m 和s t u b b s ：2 4 1 提出了用于离岸结构损伤定位和估计损伤程度的损伤检测算法，该 方法只要求损伤结构的模态参数( 固有频率和振型) 是实测的，而假定结构损伤前的模态 参数没有测到。此技术按三步进行，第一步是运用实测得有损伤固有频率产生一个基准 模型；第二步运用损伤位置指示器来确定损伤位置；第三步是在每个已知的损伤位置评 估损伤程度。数值算例结果表明，此方法能精确识别损伤位置但往往过高估计损伤程度。 h a i l s e n 【2 5 】就目前固定式海洋平台结构安全监测技术作了总结，并对以后的技术发展 趋势作了展望，指出：利用海洋平台结构环境激励下的动力响应，以结构的输出信息为主 建立损伤识别模型，确定于结构及其单元的损伤位置，结合高效的局部n d t 技术，对 海洋平台生命周期进行定量监控和预警，是完成海洋平台健康安全的重要技术手段。 ( 2 ) 其它大型土木工程结构 p e 仕o s k i 和g l a z i k ( 1 9 8 0 ) 2 6 】提出了一个带裂缝柱状壳的简化模型用于核反应容器的 模型裂缝研究。该文在严格意义上并不属于损伤诊断的研究领域，但是它强调了损伤对 结构完整性影响。作者模拟的裂缝是作为裂缝深度，载荷和壳的几何尺寸的函数，检查 了在静压力下柱体裂缝的特性，也考虑了动力响应在均匀和不均匀载荷作用下的状况， 研究结果显示裂缝在弯曲变形和柱壁应力作用下有较大的影响。 h e a r n 和t e s t a ( 1 9 9 1 ) 田j 研究了在焊接的钢框架上疲劳裂缝损伤的研究。裂缝在连接 板的角部形成，作者检查了结构初始振型的变化，利用这种方法能够确定损伤的位置。 他们指出这种方法不能诊断结构上处于对称位置的损伤，但是结构的容差应该足以消除 任何结构的对称性。作者也测试了在张紧状态下的钢绳，在固有频率变化下，钢绳对损 伤相当的不敏感，并且仅仅在高度张紧的条件下可以被观察到。 s a l a w u ( 1 9 9 4 ) 2 8 1 给 了运用振动测试的无损探伤方法评估土木工程结构的概述。这 项综述讨论了许多与这种类型的测试相联系的方法，包括环境影响因素和对精确基本测 试的需要。 j 跚e s ( 1 9 9 5 ) 吲网对涡轮叶片水平轴向运用了两种损伤诊断技术，对这个叶片在实验 室进行了相应的疲劳测试。模态测试和超声波测试在疲劳测试过程中有周期的迸行。 k o h ( 1 9 9 5 ) 3 0 1 对一个六层的钢框架结构和个1 2 层的平面框架结构进行数值模拟， 运用动力凝聚的方法进行局部损伤诊断。损伤使层间刚度缩减在1 0 、4 5 6 之间时能 导管架海洋平台裂纹振动诊断研究 够成功的诊断损伤，而不会错误的指示末损伤的层。但是这个方法对于阻尼值较高结构 的损伤是不敏感的。 l a i n ( 1 9 9 5 ) 1 3 1 l 运用基于振型变化的方法诊断一个钢框架损伤。这个框架结构由两个 l o o m m ，高2 8 2 0 m m 长的梁和两个分别位于顶端和中间的ls o m m 高的钢梁联系着。柱 被焊接在地面的钢板上，并且梁柱的连接是用四个螺栓连接着：一个在翼缘的上部，一个 在下部。损伤的模拟是通过松动顶端和底端的螺栓进行的。作者所提出的方法能够正确 诊断出该简单结构的损伤位置。 p r i o n ( 1 9 9 6 ) i 强】对一个四层有剪力墙的钢框架运用碰撞和外围振动测试方法诊断。半 静力循环载荷施加在顶层结构以模拟地震激励。对结构在损伤和未损伤状况下，计算其 固有频率、模态阻尼以及振型。结构损伤时固有频率是减小的，但粘性阻尼的变化并不 是连续的趋势，因此得出结论该参数是一个不好的损伤诊断指标。 s k j a e r b a e k ( 1 9 9 6 ) p 习发展了一种方法从结构顶端测试的结构响应信号出发对一个多 层的预应力混凝土框架结构进行损伤检测和评估。在子结构上的损伤定义为子结构的相 对刚度矩阵缩减，这产生了对整个结构的较低的特征值。作者运用这种方法数值模拟遭 受不同地震输入情况下预应力混凝土框架结构的损伤。这种方法能够对结构在遭受高阶 激励的情况下正确诊断损伤位置，但是对于所研究的低阶激励下将末损伤区域诊断为损 伤区域。 s t r a s e r 和k i r e m i d j i a n ( 1 9 9 6 ) t 3 4 1 对一个六层比例模型结构利用所提出的e k f 和非线性 混合模态方法进行损伤诊断，这个比例模型的楼层是用钢板模拟，支撑柱用钢筋模拟。 在结构的顶端放置了一个集中质量块以产生较大的响应。结构放置在振动台上以模拟地 震的输入。测试的加速度时程通过数值积分的方法以计算得速度和位移。单自由度的 e k f 模拟非线性测试响应产生的计算响应时程能够精确的预测测试响应；然而，初始估 计的系统参数值在该方法最终合成值的1 0 以内。对于6 自由度的非线性情况e k f 不 能合成。最终而言，结构被分成两个3 自由度的子结构，但是非线性结构模型的合成仍 旧困难。作者讨论了e k f 方法的两个缺点：初始估计系统参数的敏感性和多参数诊断的 困难性。基于振动测试的结构健康监测技术的诱人应用前景吸引了众多领域的研究人 员，但从前面综述的内容中，不难分析出，该技术的实际应用尚有不少难点有待攻克， 特别是对于大型土木工程结构物，如海洋平台结构。 1 5 本文主要工作 第一章系统介绍了海洋平台损伤诊断技术的重要意义，介绍了结构损伤识别的分类 以及技术手段，并且阐述了海洋平台损伤诊断技术的发展现状。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 第二章运用有限元通用软件a n s y s 建立导管架海洋平台的计算模型，并且计算平台 的前三阶的振动模态。 第三章首先计算平台在不同位置发生不同大小的单个裂纹时的平台固有频率变化， 然后讨论了平台含多个裂纹时的频率变化，最后了计算平台主腿受损前后的振型。 第四章主要以铁木辛柯梁模型来探讨导管架海洋平台构件的裂纹损伤指标。将线弹 簧模型引入到梁的传递矩阵法中，计算含裂纹梁的振动特性。依据梁损伤前后的振型， 本文提出的诊断新指标一振型差值曲率。并且讨论了它和其他三种指标对裂纹的敏感程 度。 第五章以平台主管为例，验证本文基于梁模型提出的裂纹诊断指标同样适用于平台 的管构件。 第六章对论文进行了总结，针对本文存在某些问题进行探讨，对本课题相关研究进 行了展望。 导管架海洋平台裂纹振动诊断研究 2 导管架海洋平台的完整结构振动特性 裂纹诊断是结构动力学问题的逆问题。目前应用最为广泛的是基于振动的裂纹诊断 方法，它是采用裂纹发生前后测点的振动模态特征参数的变化来判定结构是否有裂纹出 现、裂纹的位置和裂纹的程度。因此选择合理的结构模型来计算结构的振型模态很重要。 对于导管架海洋平台这种复杂的结构系统，由于受到物理实验规模的限制，大量的工作 还是依据现代结构动力学理论和实验的相关性，在计算机上进行数值模拟，目前最为成 熟的方法是有限元法，用有限元法对损伤结构进行动力分析结果与实际结构测试相符己 被许多文献所证实。 2 1 结构动力有限元 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d f e m ) ，也称有限单元法，是一种采用电子计算机 求解结构静态、动态力学特性等问题的数值解法。在机械结构的动力分析中，利用弹性 力学有限元法建立结构的动力学模型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参 数以及动力响应( 包括响应位移和响应应力) 。由于有限元法具有精度高、适应性强以及 计算格式规范统一等优点，所以在短短5 0 多年间已广泛应用于机械、航空航天、汽车、 船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，已成为现代机械产品设计中的一种重要的 工具。特别是随着电子计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档计算机和 计算机工作站的逐步建立与普及，现在己有许多著名的有限元程序( 如a n s y s a n d l a ， n a s t r a n ，s a p 等) 可用。从而为有限元法在机械结构动态设计中的推广应用创造了更 为良好的条件。 2 1 1 结构动力学方程 结构动力学方程结构动态特性计算的基础是结构系统的动力学方程： 阻】 j + 【c 】 圣 “k 伦 = ，( x ) ( 2 1 ) 式中，【m 】是质量矩阵，【c 】为阻尼矩阵，【k 1 为刚度矩阵， x ) 为节点位移向量， 。厂( x ) 为外激励向量。 式( 2 1 ) 的齐次方程为： 阻水 + 【c 水 + 髟】似= o ( 2 2 ) 齐次方程的通解为自由振动的解，而非齐次方程的为强迫振动的解。 由式( 2 2 ) 经解藕坐标变换，质量归一化后可得： 大连理工大学硕士学位论文 珈盟， 2甄叫一t f 瓦 彭端咿而睁而 式中六为模态阻尼，国，和国：为分别为结构的第，阶无阻尼固有频率和有阻尼固有频率。 2 1 2 有限元分析的主要步骤 ( 1 ) 连续体的离散化也就是将给定的物理系统分割成等价的有限单元系统。一维结 构的有限单元为线段，二维连续体的有限单元为三角形、四边形，三维连续体的有限单 元可以是四面体或六面体。各种类型的单元有其不同的优缺点。根据实际应用，发展出 了更多的单元。最典型的区分就是有无中节点。应用时必须决定单元的类型、数目、大 小和排列方式，以便能够合理有效地表示给定的物理系统。 ( 2 ) 选择位移模型假设的位移函数或是模型只是近似的表示了真实位移分布。通常 假设位移函数为多项式，最简单的情况为线性多项式。实际应用中，没有一种多项式能 够完全与实际位移相一致。用户所要做的是选择多项式的阶次，以使其在可以承受的计 算时间内达到足够的精度。此外，还需要选择表示位移大小的参数，它们通常是节点的 位移，但也可能包括节点位移的导数。 ( 3 ) 用变分原理推导单元刚度矩阵，单元刚度矩阵是根据最小位能原理或者其他原 理，由单元材料和几何性质导出的平衡方程系数构成的。单元刚度矩阵将节点位移和节 点力联系起来，物体受到的分布力变换为节点处的等价集中力。刚度矩阵足1 、节点力 向量 f 和节点位移向量 矾的平衡关系表示为线性方程组f k i f = f 科。 ( 4 ) 集合整个离散化连续体的代数方程也就是把各个单元的刚度矩阵集合成整个连 续体的冈4 度矩阵，把各个单元的节点力矢量集合为总的力和载荷矢量。最常用的原则是 要求节点能互相连接，即要求所有与某节点相关联的单元在该节点处位移相同。但是最 近的研究表明：该原则在某些情况下并不是必须的。总刚度矩阵足1 、总载荷向量 n 以 及整个物体的节点位移向量 讲之间构成整体平衡。其联立方程为： 【x l r = ( 2 3 ) 导管架海洋平台裂纹振动诊断研究 这样得出物理系统的基本方程后，还需要考虑其边界条件或初始条件，才能够使得 整个方程封闭。如何引入边界条件依赖于对系统的理解。 ( 5 ) 求解位移矢量即求解上述代数方程，这种方程可能简单，也可能复杂，比如非 线性问题，在求解的每一步都要修正剐度和载荷矢量。 ( 6 ) 由节点位移计算出单元的应力和应变视具体情况，可能还需要计算出其他一些 导出量。但这己是相对简单的了。在实际工作中，上述有限元分析只是在计算机软件处 理中的步骤( 有限元软件计算程序) ，要完成工程分析，还需要更多的前处理和后处理。 2 1 3 含裂纹的结构刚度阵建立 在一定的单元尺寸限制下，假设其它完整单元的刚度阵不变，对于含裂纹单元，在 线弹性范围内，由裂纹的附加应变能，导出含裂纹单元的刚度阵： ：= 【丁舭】- 1 【r 】- l ( 2 4 ) 热 啪转换矩阵叩】= i - lj ，其中l 为单位长度。 m 为柔度矩阵】= 陵如a 1 2 然后按总体坐标形成总体刚度阵和质量矩阵，则含裂纹刚度矩阵的振动特征方程 为： ( 霞卜2 啤 ) = o ( 2 5 ) 式中 露 为产生裂纹后结构的总刚度矩阵，露1 为产生裂纹后结构的总质量矩阵 ( 有无裂纹时总质量矩阵不变) 。由上式可以得出结构的固有频率和振型。由文献 2 3 可 知结构产生裂纹后不影响质量矩阵或质量矩阵的变化量。只是对刚度矩阵产生比较大的 影响。 本文通过解除裂纹两侧单元连续性来模拟裂纹的产生。此时存在尖端应力效应，考 虑到这种效应对于刚度矩阵没有影响。所以可以认定这种模拟方法与真实情况相符。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 桩土效应 中国船级社固定式海洋平台入级与建造规范规定：为了简化计算，初步设计时，可将 桩腿的下部模拟为一刚性固定端。刚性固定端位于设计泥面垂直向下h 所) 处。设计泥 面的位置在自然泥面下的距离要按照地质条件来决定。 建议r 值按照下列经验公式来确定： ( 1 ) 对淤泥t = ( 7 - 8 5 ) 0 ； ( 2 ) 对硬粘土t = ( 3 5 4 5 ) d ； ( 3 ) 缺乏土壤资料t = 6 d 。 式中d 为桩腿的外径。 2 3 海洋平台附加水质量 海洋平台位于水下的部分结构，在振动时都有一定量的水体随之一起运动。因此对 于海洋平台来说还应当包含结构的附加水质量。除此之外，平台结构还可能有海生物附 着，在此情况下还应该考虑一定的海生物质量。文中仅考虑了附加水质量对结构动力特 性的影响。 附加水质量主要与水下构件的几何形状有关，根据流体力学分析，当无限长椭圆形 剖面的柱体全部浸没于无限的理想流体中，在垂直于纵轴方向并沿着其椭圆截面的某主 轴方向作加速运动，如图2 1 所示，柱体单位长度周围的液体的动能为： 1 丁= 去p 柏2 y 2 ( 2 6 ) z 式中：b 为在垂直于运动方向上所量取的柱体半宽；p 为柱体的运动速度；p 为水质量 密度。因此单位长度上的附加水质量为： = p x b 2 ( 2 7 ) 导管架海洋平台裂纹振动诊断研究 乒l j 7 j ，t 心 ，乡 i l f 一6l 圈2 1 无限流场中振动的椭圆柱剖面 f i g 2 1v i b r a t i o no fe l l i p t i cs e c t i o ni nu n b o u n d e df l o w 2 。4 导管架平台的振动特性 箅例为一综合性四腿导管架平台，其功能包括钻并、生产、公用和生活。平台高度 为1 2 0 m ，水深8 0 m ，甲板尺寸为6 0 6 0 m ，导管尺寸( 水平及斜杆) 为m o