（安全技术及工程专业论文）基于动力分析的K型石油井架结构损伤实验研究.pdf

a b s t r a c t 皿eo i ld e r r i c ki si m p o r t a n te q u i p m e n t so ft h ep e t r o l e u md r i l l i n gs y s t e m b e c a u s ei nt h el o n gt e r mb a d o u t s i d ee n v i r o n m e n tt h a tt h ed e r r i c kp r o d u c e sp a r t i a lo rw h o l eh a r m ，t h e ya r eh i d d e nd a n g e ro ft h es a f e t y i np r o d u c t i o n a tp r e s e n t ，m e t h o d so ft h es t r e s st e s ta n dt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nh a v ead e f i n i t el i m i t a t i o n r e s e a r c has o r to fs c i e n t i f i ct e s tm e t h o di sv e r yi m p o r t a n to nt h e o r ya n da p p l i c a t i o nt oe n h a n c ee v a l u a t i n g t 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 ka n ds a f e t ye v a l u a t i o nm e t h o d t h ed a m a g ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do nd y n a m i ci sw i d e l ys t u d i e db ys c i e n t i s t s ：a sah o tt o p i c w i t h t h ed e v e l o p m e n to fm o d a la n a l y s i sm e t h o d t h ed a m a g ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do nd y n a m i ch a sg e tal o to f r e s u l t s f o rl a r g e - s c a l es t r u c t u r e si ti sv e r yd i f f i c u l tt os i m u l t a n e o u s l yi d e n t i f yt h el o c a t i o na n de x t e n to f e l e m e n t - l e v e ld a m a g eb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d a lm e a s u r e m e n t s w h i c ho f 【e nl e a d st ow r o n gr e s u l t s o fd a m a g ei d e n t i f i c a t i o n 1 1 ”m e t h o d o l o g y ，w h i c hi sc o m p o s e db yt h eg l o b a li d e n t i f i c a t i o na n dl o c a l i d e n t i f i c a t i o n ，i sa l le f f e c t i v ea p p r o a c ht oi d e n t i f yt h es t m c t u r a ld a m a g ei nc o m p l e xs t r u c t u r e s a n dt h e nt h e l o c a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o no fb e a m - l i k es t r u c t u r e si ss t u d i e dw i t hm o d a lm e a s u r e m e n t sb a s e do nl o c a l v i b r a t i o n 1 1 l em a i nc o n t e n t so f 山ed i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s i nt h i sp a p e ra f t e rab r i e fo v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n to 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 n ，t h e c o n n o t a t i o no 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 ni sp o i n t e do u ti na l le x t e n d e ds e n s e a c t u a l i t yo fd a m a g e i d e n t i f i c a t i o nf o rs t r u c t u r e si se x p a t i a t e da n dc o m m u n l sa i cm a d eo nt h em e t h o d so ft h e m t h e s em e t h o d s i n c l u d ec u r v a t u r em o d e l ，s t r a i nm o d a ls h a p e ，v i b r a t i o nm o d a l ，f l e x i b i l i t ym a t r i x ，s t i f f n e s sm a t r i xa n d w a v e l e ta n a l y s i se t c b a s e do nt h eb a s i cs t r u c t u r ea n df o r c ec h a r a c t e r i s t i co fj j l 6 0 4 1 - kt y p eo i ld e r r i c k , s o l i dm o d e lo f j j l 6 0 - 4 1k t y p eo i ld e r r i c kw i t hs i m i l a r i t yt h e o r ya n da n a l y s et h es o l i dm o d e lb e e nm a k e t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tw h e ns t r u c t u r eo fd e r r i c km o d e lc h a n g e sp a r t l y , t h eh o l i s t i cn a t u r a lb e q u e n c yo fd e r r i c k s y n c h r o n o u s l yc h a n g e s d i s s e r t a t i o n sb a s e do nf r e q u e n c yf i n g e rm a r kc u r v eo fj j l 6 0 4 1 , kt y p eo i ld e r r i c k ， l o c a ld a m a g el o c a l i z a t i o nb a s e do nd y n a m i cs i g n a t u r e si sp r e s e n t e d t h ea p p l i c a b i l i t yo ft h r e ed y n a m i c s i g n a t u r e sb a s e df r e q u e n c yd a t aa r es t u d i e d ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fd i f f e r e n td a m a g ec a s e sa r e c a r r i e do u t 1 1 l er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h en o r m a l i z e dc h a n g er a t i oo ff r e q u e n c yi ss t a b l ea sc h a n g i n gt h e d a m a g el o c a t i o na n de x t e n t t h e r e f o r e ，t h en o r m a l i z e dc h a n g er a t i oo ff r e q u e n c yi ss e l e c t e da sd y n a m i c s i g n a t u r eo fo i ld e r r i c ks t r u c t u r e sb a s e do nl o c a lv i b r a t i o n t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ed a m a g el o c a l i z a t i o nb y u s i n go ft h ep r o p o s e dd y n a m i cs i g n a t u r ei si l l u s t r a t e db yan u m e r i c a le x a m p l e k e y w o r d ：d 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 y n a m i ca n a l y s i s ；n a t u r a lf r e q u e n c y ；d a m a g el o c a l i z a t i o n 1 1 1 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：盎遂塑日期：丝呸五z 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：碧够l 羽导师签名：彳甲岔产 日期： 2 , , o z3 ，歹二 日期： 1 伽7 。；己，l f 论文创新点 1 本论文将动力检测理论与结构损伤识别理论相结合应用于石油井架的损伤识别 中，实现了对石油钻机井架的损伤位置识别。 2 通过有限元理论分析和实验测试研究，总结出一套基于动力分析的k 型石油井 架结构损伤识别方法，并在井架模型上应用，取得了比较满意的结果。 大庆杠油学院硕i ：研究生学位论文 引言 随着我国经济的发展，大型工程项目的实施以及现实生活中许多灾难性结构工程事 故的发生，引发人们对结构“健康”问题的广泛关注，结构的损伤检测已经成为工程界和 学术界研究的热门课题。利用结构的动力反应或动力参数的变化，采用动力分析方法确 定结构的损伤位置和程度，是现代结构安全性检测理论研究的前沿课题。 用振动参数来判断结构整体特性的方法首先于2 0 世纪6 0 年代应用于航空和机械工 程方面，随后应用于建筑工程领域，现在己经广泛应用于各个领域。通过振动测量，可 得到结构的固有频率和模态振型等动力参数，利用固有频率的变化或结构模态振型变化 可以识别结构的损伤存在与否、损伤类型、位置及损伤程度等，振动测量方法具有速度 快、无损伤、不影响结构正常工作等特点。 对于石油井架这种大型结构，结构本身的损伤情况非常复杂，采用局部测量技术很 难快速准确发现损伤。只有通过整体测量方法，即振动测量方法，才能实现实时在线监 测。整体检测技术可分为静态检测方法和动态检测方法两种。但是静态检测试验的设备 笨重，实验时间长，影响结构的正常使用，还可能对结构造成新的损伤。动态检测方法 是对井架结构进行动力试验，研究结均动力性能，动力性能是判断在用石油井架使用 状况和承载能力的依据。动态测试可以在结构处于工作的状态下进行，易于把拾振器安 装在结构深处；动态信号的类型多，量值变化范围大，而且又是多维的，便于识别不同 类型的损伤。 随着现代传感器技术、微电子技术、计算机技术的发展，使得数据采集、数据传输 以及数据的实时分析与处理水平得到巨大提高。振动测试技术易于实现诊断系统的自动 化、小型化，且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，再加上 振动诊断具有实时性、在线性、遥测性、可控性和提取信号方便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f ； 景。 传统的检测手段可以对井架的外观以及某些结构特性进行监测，检测的结果一般也 能部分地反映结构的当前状态，但是却难以全面反映井架的健康状况，尤其是难以对井 架结构的安全储备以及退化的途径做出系统的评估。此外，常规的检测技术也难以发现 隐秘构件的损伤。于是近年来，人们一直在寻找一种能适用于复杂结构的整体探伤评估 方法，目i ； f 得到普遍认同的一种的方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、 信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析法。 本文在几种常用的结构损伤识别方法探讨的基础上，对基于固有频率变化的动力分 析法进行了细致的描述，通过对j j l 6 0 4 1 一k 型井架模型作损伤识别的数值分析和试验研 究，总结出一种石油井架结构损伤的检测方法。 第1 章结构动力检测方法综述 第1 章结构动力检测方法综述 1 1 工程结构检测方法概述 结构损伤实际上是结构特性的改变，结构损伤识别就是根据结构特性的变化去判断 结构损伤的情况。 结构损伤识别按照分类方法的不同，主要有：以识别范围可分为局部损伤识别和全 局损伤识别；以识别手段可分为有损检测和无损检测。 局部识别技术虽然比较精确，但是它只能识别出很小范围的损伤。所以不利于应用 于大型结构。局部无损检测技术主要包括目测法、染色法、发射光谱法、声发射法、脉 冲回波法、射线法和涡流法等，大多数技术能成功地应用于检测损伤。常用的有：声发 射法，能对活动性缺陷进行动态监测，采用声发射探头将发射的弹性波转换为电信号， 经放大处理得到特征参数，从而推测材料内部的缺陷位置；脉冲回波法，利用超声波遇 到不同介质会反射的性质进行检测，检测灵敏度高、成本低；射线检测用x 射线对结构 缺陷情况进行检测，可测得结构的损伤位置和形状。 全局检测方法大致可以分为动力检测法、模型修正与系统识别法、遗传算法、小波 分析法和神经网络法等。动力检测法是根据动力学原理建立与结构特性有关损伤指标， 然后根据损伤指标的变化来识别损伤。常用的动力学损伤识别指标有：频率、振型、应 变模态、柔度、频响函数等。模型修正与系统识别方法的基本思想是利用动力试验数据， 通过优化约束来修正模型中的刚度分布，通过检测结构中观测到的局部刚度下降判断损 伤的位置和程度。遗传算法是一种基于自然遗传和自然选择原理的寻优方法，在获取测 试信息不多的情况下能迅速判定损伤位置和程度，即使模态信息部分丢失，遗传算法的 寻优能力也不受影响。小波分析法的优点在于利用一个可以伸缩和平移的视窗能够聚 焦到信号的任意细节进行时频处理，提供多个水平的细节及对原始信号多尺度的近似， 既可以看到信号的全貌，又可以分析信号的细节。结构模型在环境激励下，结构的伸缩 可以从对应数据进行小波离散后的细节突变上检验处理，这些突变的位置可以精确地指 出损伤发生的时刻【2 翔。神经网络是对人脑或自然神经系统基本特征的模拟与抽象，有大 量神经元广泛连接而成。神经网络以其处理信息的并行性、自组织、自学习、联想记忆 功能以及很强的鲁棒性应用于许多领域。根据结构在不同状态的反应，通过提取特征， 选择对结构损伤敏感的参数作为网络的输入向量，结构的损伤状态作为输出，建立损伤 分类训练样本集。将样本集送入神经网络进行训练，建立输入参数与损伤状态之| 日j 的映 射关系，训练后的网络具有模式识别功能。应用神经网络方法不需要结构动力特性的先 验知识，具有损伤诊断非参数的优点。神经网络具有很强的非线性映射能力，特别适合 用于非线性模式识别和分类。网络的训练过程很慢，但应用时计算速度很快，可以应用 于结构健康在线检测和实时诊断【4 , 5 j 。 2 大庆油学院硕仁研究生学位论文 有损检测方法用的比较少，主要应用于故障解剖，以期详细研究损伤产生及形成机 理，主要用于科研；无损检测的方法比较多，总起来可分为直接检测和问接检测。其中 直接测试由于不能实时、在线、全局地对结构进行监测，只能用于静态测试。直接测试 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， 具有实时性、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。振动检测技术便是其中一种新颖的损伤诊断技术，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，是一种全局的、无损的损伤识别技术，是 目前国内外结构损伤识别研究中的热点。 1 2 结构动力检测方法的研究现状 1 2 1 结构动力检测的基本问题 结构动力检测的基本问题是依据结构的动态响应识别结构的当前状态。结构的性态 可用结构模态参数( 主要为自振频率和振型) 和结构物理参数( 主要为刚度参数) 进行描 述。结构的物理参数是结构性态的直观表述，直接反映结构的状态，也是进行结构可靠 性评价需要直接应用的参数。结构模态参数也是结构的一个非常重要的性态，反映结构 的质量和刚度分布状态，如果结构的模态参数发生变化，也能间接反映结构的物理性态 变化。从而可以定性和定量地判别结构状态的改变。因此，结构的动力检测问题可分为 结构模态参数识别问题和结构物理参数识别问题。 进行结构模态参数识别时，按识别是在频率域进行还是在时间域进行，可将问题分 为结构模态参数的频域识别和结构模态参数的时域识别。而进行结构物理参数识别时， 可以按依据的基本数据是结构动态时程响应还是结构模态参数，将问题分为结构物理参 数的时域识别和结构物理参数的频域识别l “。 1 2 2 结构动力检测方法概述 基于振动模态分析与参数识别的工程结构动力检测法，按照识别的对象，可分为局 部法和整体法；按照参数识别时是基于时域数据还是基于频域数据，可分为时域法和频 域法；按照研究的路线与应用的角度不同，又可分为：动力指纹分析法、模型修正与系 统识别法、遗传算法和神经网络法。 1 动力指纹分析法 动力指纹分析法的基本思想是寻找与结构特性有关的“指纹”变化。如果结构发生损 伤，其结构参数，如频率、刚度、质量、阻尼等将发生改变，从而导致相应的动力指纹 的变化。这些动力指纹的变化可以看作是结构损伤发生的标志，以此来诊断结构的损伤 位置和损伤程度，达到检测的目的。通常用于检测的动力指纹包括波形识别指标和振型 识别指标峥j 。 基于频响函数( c f r n 的波形识别指标主要有：w c c ( w a v e f o r mc h a i nc o d e ) 、i a t m 3 第1 章结构动力榆测方法综述 ( a d a p t i v et e m p l e t em e t h o d s ) 和i s a c ( s i g n a t u r ea s s u r a n c ec r i t e r i a1 。其中，w c c 和 i a t m 的损伤识别能力优于i s a c ，但都不能定位损伤。 基于振型的损伤识别指标主要有以下几种： ( 1 ) 基于固有频率的损伤指纹 1 ) 局部频率变化率1 7 l 结构损伤前后特征值的变化为： 即鬻 ( 1 - 1 ) 它表示第f 阶频率的变化等于损失刚度第f 阶振型上的势能与第f 阶振型相对应的 动能之比。 定义局部频率为局部势能与动能之比，即： 九。掣0 - 2 ) 。而 式中h 是第j 个单元对应于f 阶振型的局部频率。当第p 个单元有破损时，对应于 第p 个单元的数值在破损前后会有较大的变化，而其他的如( 脚) 值只稍有变化。 定义局部频率变化率( 1 0 c a i 丘e q u e n c yc h a n g er a t i o ，简写为r l 曲为： r 删一一j ( 1 _ 3 ) 表示第，个单元对应于第f 阶振型在结构破损前后的局部频率变化率。通过检查所 有单元对各阶模态的r i f c 值，即可诊断出结构中的破损位置。 经过多种破坏情况的仿真研究，结果表明，局部频率变化率的概率能很好的对结构 中的单个破损和多个破损进行损伤定位；但是有限的测试振型自由度和噪声对损伤检测 的影响较大，因此定量分析它们之间的关系比较困难。 2 ) 频率变化比 c a w l e y 和a d a m s l 8 , 9 1 提出仅利用损伤前后频率变化进行损伤识别，较为著名的结 论是：结构损伤前后任意两阶频率的变化之比只是损伤位置的函数，即 等- 鼎- h ( r ) ( 1 - 4 ) g如jj 【，j 3 ) 频率变化平方比 h e a r n l l 0 】的研究表明，结构损伤后任意两阶频率变化的平方比仅是损伤位置的函数： s ：娩k ，娩) 4 冬。刁( 1 - 5 ) 斫4 虿曰硼 妒j m ， ( 2 ) 基于应变模态的损伤指纹1 7 , 8 1 损伤情况下测得的力正应变传递函数矩阵为f ，d ，可表示为： 人庆石油学院颂卜研究生学位论文 h 三3 月嘲掌妒h 蜘d 嘲多y k 辅 f ，加t 研 ( 1 6 ) 式中，中、y 分别为位移和应变模态振型矩阵，d i a g k - 【- n ，2 小，d + 七，d + j o , c ，dj ， 近似有y r o = y m ，4 b = 锄，则式( 1 - 6 ) 可变为： h ；3 。h 一妒3 。d i a g y , i m x w 妒二。( 1 7 ) 式中，y ，咖，研可在结构完好情况下测得，求得 岛，进而可得 由于应变模态振型在局部损伤位置有显著变化，可以用应变模态振型差的绝对值作 为结构损伤的识别指标，记为：p 螂= l 蚪i ，称d s u 为应变模态振型差识别指标。 模型实验和分析表明，应变模态振型差识别损伤的能力优于位移振型差，能够较好 的揭示结构微小的局部损伤。但是在对实际工程检测时，无法预知结构损伤的确切位置， 如果应变传感器布置在偏离损伤的区域，那么应变模态所包含的结构损伤信息将减少。 另外，此方法所需的应变片远多于加速度计的数量，且应交片不能布置在节点位置。 ( 3 ) 基于坐标模态置信标准( 1 c 0 m n c ) 和模态置信标准( i m 础的损伤指鲥7 l i c 0 m a c 是判断完好结构与破损结构的振型矩阵在每一点异同的指标，用来度量损伤 前后特征向量的相关性挫标模态损伤指纹： ，c o m a c 任) ( 薹k 皿如一) l 薹醒辟荛以，卢l ( 卜8 ) 模态置信标准表示振型相关图中最小二乘偏差的度量，模态置信损伤指纹定义为： ，。( ，) 一瞬) 瞬九蛎t ) - 1 ( 1 9 ) 其中，j 为模态数，k 为坐标点，4 锄和d 嘧为损伤和未损伤状态下结构的第，阶振型。 i c o m , c 和i m a c 的取值范围均为0 - 1 ，当其接近于0 时，说明损伤前后的模态不相关， 即结构中有损伤；当其接近于1 时，说明损伤前后的模态相关性好，即结构中无损伤。 但这些参数对损伤初始阶段识别能力较差。 ( 4 ) 基于柔度矩阵的损伤指鲥1 1 , 1 2 1 柔度矩阵可通过由测试得到的结构前几阶固有频率和模态来较为精确地构造。由振 动理论可知，对于多自由度系统，利用柔度矩阵与刚度矩阵的互逆性，可得到柔度矩阵 的表达式如下： r 一中a _ 1 m 7 一罗 ( 1 - 1 0 ) 筒 式中，r 为结构的柔度矩阵，蛾为振型矩阵西的列向量，九为对角矩阵a 的元素， 即固有频率的平方，弗为结构的自由度数。 柔度矩阵的每一列代表在某一自由度施加单位力后各点的位移，定义损伤前后柔度 矩阵变化差为：4 ，k 厅厂d ，令最大柔度变化识别指标为第i 列元素最大绝对值，即： 6 = m a x , 5 0 f 位移点号 ( 1 1 1 ) 可以看出，柔度矩阵r 的元素反比于固有频率的平方，即低阶振动的模态和频率信 5 第1 章结构动力榆测方法综述 息在。r 中所占的影响成份很大。在实际应用中，一般只能测得结构最低的几阶模态与频 率，以此来近似得出实际的柔度矩阵。在利用结构刚度矩阵进行损伤识别的算法中，有 限的低阶模态信息使刚度矩阵的近似误差较大，而利用柔度矩阵则可避免这一缺点。这 是因为，在模态满足归一化的条件下，模态参数对柔度矩阵的贡献与自振频率的平方成 反比。随着频率的增大，柔度矩阵中高频率的倒数影响可以忽略不计，这样只要测量前 几个低阶模态参数和频率，就可以获得精度较好的矩阵。根据损伤前后的两个柔度矩阵 的差值矩阵，求出差值矩阵各列中的最大元素，通过检查每列中的最大元素就可以找出 损伤的位置。柔度变化的损伤识别方法相对于刚度变化的损伤识别方法对结构损伤是比 较敏感的，但是由于忽略高阶模态参数的影响，无法避免地存在着误差。胡宁【”髓过在 结构的部件上施加单位载荷并获得其对应应变的方法，将整体结构的柔度信息转化为结 构中局部部件的刚度信息，从而有效地进行结构中损伤位置的判断，并且验证了该方法 的正确性。i c e a l v i n i “i 论述了从频率及模态信息中提取柔度矩阵的方法，一种是通过应 力确定结构的柔度，另一种为通过整体柔度矩阵来确定单元柔度矩阵，并用两个例子证 明了该方法在损伤定位及有限元模型修正中的有效性，并以钢混结构的悬臂梁为例运用 基于柔度矩阵的方法进行损伤识别。最大柔度变化还可以较好地识别加劲梁局部损伤的 位置和损伤程度。 ( 5 ) 基于曲率模态振型的损伤指纹l ”4 7 j 曲率模态是承弯结构的典型变形特征，与结构截面的弯曲刚度有关，结构在某点的 曲率v = m e i ，式中肼为截面弯矩。可见，如果出现了局部裂口或其他损伤，必将在有 关局部位置引起e l 的变化，从而使该处的曲率发生变化，并导致曲率模态振型局部变 化。例如，局部裂口将造成该处的，值下降，曲率模态振型局部幅值上升，表明结构局 部损伤的位置；而这种局部模态变化的幅值则可据此判断损伤程度。在计算模态时，通 过位移中心差分可得曲率模态振型。计算公式如下： 屹一【y j + l 一2 y j + y j i ) h 2 ( 1 1 2 ) 式中，y ；为i 点的位移，h 为测点间距。 曲率模态振型对损伤的敏感度远大于振型，尤其是对局部损伤。a k p a n d e y l6 j 通过 减小结构的弹性模量验证了该方法的有效性。通过计算局部损伤对各阶曲率模态影响， 说明了曲率模态振型对于局部损伤十分敏感，可以有效地发现损伤部位，亦可估计损伤 程度。郑明刚【1 7 1 分析了曲率模态应用于桥梁状态监测中的可行性，并指出高阶模态对损 伤更为敏感。邓焱i 培k b 较了一个钢筋混凝土t 形简支梁在无损伤及有损伤情况下的仿真 计算结果，有损伤时，位移模态的变化难以觉察时，曲率模态的变化却可以明显地显示 出来，该文还提出用高灵敏度的位移计测量位移振型来反算曲率。 ( 6 ) 残余力向量损伤识别指纹基于灵敏度分析澍”i 结构在损伤状态下的振动特征方程为 【杨一九m d p 。一0( 1 1 3 ) 6 大庆石油学院硕l ：研究生学位论文 式中砀， 白为损伤状态下的刚度和质量矩阵，知，4 为实测损伤结构的第i 阶特 征值( 固有频率的平方) 和特征向量。损伤状态下的刚度和质量矩阵可表示为 k j k 。+ a k( 1 1 4 ) m 。一m ，+ a m( t - 1 5 ) 式中k s ，m s 为无损伤结构的刚度和质量矩阵，k ，厶m 为结构刚度和质量的改 变量。 把式( 1 1 4 ) ，( 1 - 1 5 ) 代入式( 1 1 3 ) ，得 ( a k 一九a m p 4 一【k ，一九m ，归( 1 - 1 6 ) 则残余力向量冠可表示为 r 一忆一九m ，净女 ( 1 - 1 7 ) 即可用残余力向量确定结构的损伤部位，再进行加权灵敏度分析以确定损伤程度。 周先雁【驯用这种方法对混凝土平面框架结构破损评估进行了研究，证明了该方法的简单 有效性。 总的来看，每个动力指纹对结构损伤的敏感度都各不相同，所能得到的结构检测效 果也各不相同。基于固有频率的损伤指纹，结构损伤导致的固有频率变化很小，而振型 ( 尤其是高阶振型) 虽然对局部刚度变化比较敏感，但精确量测较为困难。基于坐标模态 置信标准( c o m a c ) 和模态置信标准( m a c ) 等依赖于振型的动力指纹也同样如此。曲率模 态振型、应变模态则因传统的低幅振动测试变化量量级过小，难以起到有效的判别作用。 因此，这类方法的应用有待于寻找新的动力指纹。为了发现损伤及其位置，首先应根据 先验知识，建立对应各种指纹变化的损伤数据库，然后将损伤后的动力指纹与数据库中 的指纹相比较，从而确定损伤状态。 2 模型修正与系统识别法 这种方法的基本思想是利用动力试验数据( 通常为模态参数或加速度时程记录、频 响函数等1 ，通过条件优化约束，来不断修j 下模型中的刚度分布，当试验数据与模型反 应数据基本吻合时，即认为此组参数为结构当前参数，从而由被检测结构中任意观测到 的局部刚度下降来判定损伤的位置和程度，即根据模型刚度的变化来实现损伤的定位和 损伤程度的评估【2 1 1 。这种方法在划分和处理子结构上具有很多优点。 但是在实际应用中，由于模型误差、测量噪声以及工程结构可测得的动力特征对局 部刚度变化不敏感等因素的存在，使得此方法在实际应用中受到限制。模态试验测得的 模态信息总是不完备的，导致了特征方程求解中的亚定问题。解决数据和模型的不确定 性，有效的方法是用统计推断的方法，如贝叶斯统计的方法。针对这些问题，一方面可 以考虑利用动边界条件进行子结构模型修正以减少未知数的方法，另一方面可以通过良 态建模、合理划分子结构以及最优布置来获取最大信息量予以解决【2 2 l 。 3 遗传算法 与模型修正和系统识别法类似，遗传算法识别结构损伤是应用遗传算法对结构振动 第1 章结构动力榆测方法综述 参数进行处理，继而实现结构的损伤诊断。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s 简称g a ) 是基于d a r w i n 的生物进化论和m e n d e l 的遗 传学原理发展起来的一种广为应用的、高效的随机搜索与优化的方法。它将优化问题转 化为生物进化的过程，采用优胜劣汰的机制来获得优化问题的最优解。由于遗传算法在 搜索时不直接使用变量本身，而使用它的编码，且对搜索空间没有任何特殊要求( 如连 通性，凸性等) ，只需要计算目标函数值，不必要求函数连续、导数存在、单峰等特点， 具有极强的适应性，可用于解决非线性约柬优化问题、离散变量优化以及用传统优化方 法不能解决的一系列优化问题1 ”1 。 遗传算法是一种典型的全局优化方法，与传统的优化方法，如枚举法、启发式算法 和搜索算法相比，遗传算法有其自身特点： ( 1 ) 遗传算法的自组织，自适应和自学习( 智能性) 。 这种自组织，自适应的特性，使它同时具有根据环境变化来自动发现环境的特性和 规律的能力。因此，利用遗传算法可以解决那些复杂的非结构化问题。 ( 2 ) 遗传算法的本质并行性。 遗传算法的并行性表现在两个方面：一是遗传算法的内在并行性( i n h e r e n t p a r a l l e l i s m ) ，即遗传算法本身非常适合大规模并行；二是遗传算法的内含并行性( i m p l i c i t p a r a l l e l i s m ) 。遗传算法采用种群的方法组织搜索，即从潜在的解空间中同时从多个样本 点开始搜索，而非单点寻优。由于搜索的范围广，从而大大减少了陷入局部最优解的可 能性。而且由于“优胜劣汰”原则的保证，即使在随机操作上破坏了某个优良解，群体中 将有更多的优良解被复制补充进来，使整个种群的适应值仍能不断提高瞄l 。 结构损伤识别属于高度非线性系统识别问题，也可归结为参数识别问题，即结构动 力学反问题。通常可以通过两条途径解决：一是灵敏度分析方法，通过广义逆矩阵的运 算来确定参数改变量；二是采用最优化方法确定与实测数据最优匹配的参数。将遗传算 法引入损伤评估的最优化方法中，在测试获取信息不多的情况下，能迅速判定损伤位置 并能准确模拟损伤程度，即使模态信息部分丢失，遗传算法寻优能力丝毫不受影响p j 。 易伟健【2 5 驯等引入遗传算法处理试验得到的动力信息对结构的损伤进行诊断，提出 了对原来简单遗传算法的改进，并应用于固端梁、连续梁和框架等多个结构的损伤诊断， 取得了满足工程要求的结果。 4 神经网络法 人工神经网络( a n n ) 是对人脑或自然神经系统若干基本特征的抽象与模拟，是在一 定程度和层次上模仿人脑神经系统处理信息的方法，用大量简单的基本单元神经元 相互连接而组成的自适应非线性动态系统吲。在对结构损伤进行判断时，神经网络法把 结构的反应作为一种模式，通过对原结构经常可能发生的损伤所对应的结构反应建立标 准模式库，就可以由当前的结构反应直接判别结构损伤的模式。具体识别的过程是：根 据结构在不同状态的反应，通过特征提取，选择对结构损伤敏感的参数作为网络的输入 向量，结构的损伤状态作为输出，建立损伤分类训练样本集。将样本集送入神经网络进 8 人庆年i 油学院硕卜研究生学位论文 行训练，建立输入参数与损伤状态之间的映射关系，训练后的网络具有模式分类功能。 将待测结构进行测试的动力参数输入网络，得出损伤状态信息。目前，用于结构损伤识 别的神经网络模型多为前向神经网络，其中b p 网络应用最为广泛，此外还有对偶传播 神经网络、多层感知器模型、自回归神经网络、径向基神经网络、概率神经网络、小波 神经网络、模糊神经网络等1 2 1 , 2 2 1 。 人工神经网络具有很多优点，将其应用于结构损伤识别时，其优点主要表现在如下 几方面。首先，神经网络具有很强的非线性映射能力，特别适合于非线性模式识别和分 类，能够滤出噪声或在有噪声的情况下进行正确识别，解决了传统模式识别中的高噪音 干扰和模式损失等缺点，在这一点上，比模型修正法和信号处理法适用范围更广。其次， 人工神经网络的自组织、自适应学习功能大大放松了传统识别方法所需要的约束条件。 另外，神经网络方法不需要被研究系统的本质现象，也有容错能力，这使得该方法对于 代表真实世界中遇到的未知模型系统是非常合适的。基于人工神经网络的结构损伤诊断 方法还不需要任何关于结构动力特性的预备知识，可以用相同的公式处理线性和非线性 系统，具有损伤诊断的非参数识别的优点。值得注意的是在损伤识别过程中，神经网络 的训练过程是很慢的，但是一旦训练完成，应用时的计算速度很快，因此训练好的神经 网络可应用于结构健康的在线监测和实时诊断。神经网络方法的有效性取决于原始数据 库的完整性和算法的可靠性【2 l 】。 人工神经网络方法同样有它的局限性，包括：训练时间长、依赖原始数据库、收敛 偏差导致的无法保证最佳结果以及如其他方法一样不能保证完全可靠。但是，人工神经 网络以其处理信息的并行性、自组织、自学习性、联想记忆功能、高度的非线性映射能 力以及很强的鲁棒性和容错性，正成为工程结构检测中的一种应用前景非常广阔的方 法。 1 3 论文研究的目的、意义和内容 1 3 1 论文研究的目的和意义 工程结构是人类文明的标志，给人类带来极大的利益，同时也带来了安全问题。如 果工程结构发生损伤，不但会带来财富的巨大损失，还会威胁到人民的生命安全。长期 以来，不断发生因为结构损伤造成的严重事故：1 9 9 4 年韩国汉城市中心的一座桥梁因结 构内部受损而倒塌；1 9 8 8 年4 月8 日，美国航空公司的一架波音7 3 7 飞机，在夏威夷二 万四千英尺高空突然断裂。损伤引起的灾难给生产乃至人们的生命财产造成难以估计的 损失1 2 2 琊1 。进行结构损伤诊断，可以提高结构的可靠性与安全性，避免重大事故的发生， 减少事故危害性，可以获得巨大的经济效益和社会效益。 对石油钻机井架结构的损伤诊断，长期以来人们习惯于用静力的观点考察结构的性 能，用静力实验来考察结构的承载能力、安全储备和可靠性。但是，静力实验的设备笨 重，实验时问长，影响结构的正常使用，还可能对结构造成新的损伤。静力实验时只能 第1 章结构动力榆测方法综述 抽样检测，不可能对所有的结构构件进行检测，由于结构损伤分布的随机性，用静力检 测难免发生漏检，对结构的安全评价难免造成隐患。此外传统的诊断方法还都局限于结 构构件上，就结构整体而言，目前研究得还比较少。在结构损伤检测研究中，一种比较 合理方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术 的结构动态特性分析法。 石油钻机井架、修井机井架由于多年在野外恶劣的环境下长期使用，承受几十吨到 上百吨动载荷的多种载荷作用，随着服役时间的增长，产生局部或整体损伤等缺陷，成 为安全生产中的事故隐患。井架失效倒塌事故时有发生，造成人员伤亡和国家财产的重 大损失。因此，油田每年都要对达到或接近使用寿命年限的和状况不好的井架实施安全 检测与承载能力评定。目前检测主要采用应力测试与计算机仿真的方法有一定的局限 性。研究科学、简捷、适用的检测方法与技术，提高石油井架承载能力检测与安全评价 水平，具有一定的学术价值和重要的实际意义。 本课题的研究与工程实际密切结合，致力于解决目前石油井架领域中上待解决的问 题，通过对井架结构的模态分析，利用已有的结构理论来检测实际工作中石油井架结构 的损伤情况，这将对石油井架安全评估系统理论走向细致化和深入化具有重大意义。 1 3 2 本文研究的主要内容 基于两阶段法的思想，本文主要针对井架结构的动力检测方法进行研究，实现井架 结构的损伤定位，并结合模型试验结果验证本文的相关结论和方法，具体内容如下： ( 1 ) 设计制作井架模型，用实验的方法模拟井架的损伤情况，对比井架在无损伤 和有损伤情况的振动差异。当井架产生损伤时井架的动力参数( 固有频率) 会发生改变， 产生模态迁移或奇异 ( 2 ) 用a n s y s 有限元软件模拟计算有损伤和无损伤井架模型的固有频率，分析该 动力参数，得出基于固有频率变化的频率指纹曲线。 ( 3 ) 用振动测试仪器分别测试无损伤和有损伤井架模型的振动信号，进行动力特 性分析，确定出井架模型的动力参数( 固有频率) 。 ( 4 ) 分析结构损伤时井架动力参数( 固有频率) 的改变，找出适合基于动力参数分析 的井架结构损伤检测方法，并验证该方法的有效性。 1 4 本章小结 本章在查阅和掌握大量有关文献资料的基础上，分析论述了结构动力检测方法的研 究现状及其发展趋势，并阐述了本文研究的主要内容。 l o 大庆也油学院硕f ：研究生学位论文 第2 章基于动力分析的结构损伤识别理论 2 1 结构损伤识别理论概述 对结构进行损伤识别，是近几十年来随着土木工程研究理论的不断成熟和实际应用 需要而产生的一门新兴学科。它的主要内容包括对结构体系中是否出现损伤进行判别及 对已经出现的损伤进行定位和对损伤程度进行有效的判别，即通过对结构进行检测，以 确定结构是否有损伤存在，进而判别损伤程度和方位，以及结构目前的状况、使用功能 和结构损伤的变化趋势等，对由损伤引起的结构进行风险评估【舶j 。 结构的损伤检测主要包括三个方面的内容：1 、结构损伤识别；2 、结构损伤定位： 3 、结构损伤程度的标定与评价。 损伤识别是进行结构故障诊断的基础，目前国际上关于结构故障诊断的研究多集中 在损伤识别的层次上；损伤定位是进行结构故障诊断的核心，也是问题的难点所在。目 前，关于损伤定位的探究多采用对简单的结构( 如悬臂梁、简支梁) 预制裂纹进行验证性 的振动试验和计算；结构损伤程度的标定和评价常常是对于工程结构进行故障诊断的目 的所在，是进行结构完整性评定和维修决策的依据 4 5 , 4 6 , 4 7 。 损伤识别可分为基于模型( m o d e l b a s e d ) 的参数识别和无模型( f r e e 。m o d e l ) 的系统识 别两类。从逻辑上讲，要进行损伤识别和定位，首先需要解决的是损伤标识量的选择问 题，即决定以哪些物理量为依据能够更好地识别和标定损伤的程度和位置。一致认为： 用于损伤识别的物理量可以是全局量( 如结构的固有频率等) ，也可以是局域量。 损伤表示量可以是结构的物理参数( 如刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵等) ，也可 以是模态函数( 振型、频率等) 。 本章基于结构动力学理论，采用多种损伤标识量，给出了结构损伤识别的常用方法。 2 2 基于动力分析的损伤识别理论 结构损伤检测的关键是找到对损伤敏感的动力参数。就目前的研究范围来看，对结 构损伤敏感的动力参数主要集中在固有频率、振型、柔度等几个方面。下面针对几种动 力参数对结构损伤理论进行系统的学习和研究。 2 2 1 基于曲率模态分析的损伤识别理论 对应振动位移模态，曲率模态属于承弯结构振动特性的特殊表现形式，以横向弯曲 振动的连续梁结构体系为例，其无阻尼自由振动微分方程为 熹f e l ( x ) | 穹笋忡x ) 堕掣= 。 仁) 其中：“似砂表示