基于模态应变能的海洋平台结构损伤识别方法研究

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1、杨风艳，等：基于模态应变能的海洋平台结构损伤识别方法研究基于模态应变能的海洋平台结构损伤识别方法研究杨风艳1杨永春2(1．海洋石油工程(青岛)有限公司设计部青岛266520)(2．中国海洋大学工程学院青岛266100)摘要：提出了一种基于模态应变能的结构损伤识别方法，该方法仅利用结构损伤前后的前三阶模态参数来确定结构的损伤定位因子和损伤程度评估因子，实现对结构损伤的识别．以某一固定式钢质导管架海洋平台物理模型为实验对象，通过松动其法兰接头上的螺栓采模拟导管架裂缝时的4种不同损伤工况，并采用橡胶头力锤激励方式获取结构振动响应信号

2、，然后用对响应信号进行模态参数识别得到的前三阶模态参数，对该方法的有效性进行了验证，验证结果表明，应用本文所提的损伤定位因子和损伤程度评估因子可较为准确的实现损伤定位，相应的损伤程度评估结果与实际损伤工况符合程度较好，且该方法简便易行，具有一定的实际应用价值．关键词：结构振动无损检测损伤识别模态应变能工程结构如高层建筑、大型桥梁和海洋平台等在其服役环境中受到设计载荷的作用以及各种外界因素的影响将不可避免地产生损伤积累、抗力衰退而影响结构的使用寿命，甚至会导致突发事故的发生。因此，结构健康监测与损伤识别，对避免灾难性事故的发生有

3、着重要意义。经过几十年的研究，人们提出了各种各样的无损检测方法，其中包括：x射线，Y射线，光干涉，超声波方法等结构局部损伤检测方法，而这些技术仅可用于损伤区域已知的情况，此外由于损伤情况的复杂性，这些实验装置在施工现场实际应用中受到限制。因此，这些方法对于大型复杂结构的无损检测是不方便的，并且是昂贵的。与上述物理方法相比，基于振动测试的全局无损检测方法[1~31则相对简单、成本较低，该方法的工作原理为利用结构振动的实测数据，通过系统参数识别技术判断结构动力参数的变化，从而判定结构是否有损伤、损伤的位置和程度¨】。通常将结构所识

4、别模态参数损伤前后相应值之间的显著差异作为有损伤的标志，并建立损伤与结构参数的关系，确定损伤的部位和程度。其最突出的优点是可在环境载荷激励下进行振动测试崎1，整个损伤诊断过程不会影响结构的正常工作，而且环境激励下的振动测试使得在线监测成为可能。从基于振动测试的结构无损检测方法的文献综述中№J，可以看到大多数方法在实际应用中存在一些局限，如：需要质量归一化的振型、完备的模态信息、高阶模态参数等。针对上述局限性，本文提出一种新的基于模态应变能的结构损伤识别方法，该方法仅利用结构损伤前后的前三阶模态参数即可对损伤结构进行定位和损伤状

5、况评估，不需要质量归一化的振型，仅仅利用结构损伤前后的前三阶模态振型即可，也不需要解复杂的结构系统方程。试验验证结果表明，该方法对结构的损伤定位和损伤程度的评估都有很好的诊断结果，且不需要解复杂的结构系统方程，计算简便，具有一定的实际应用价值。1．理论推导对于一个有n个单元和m个节点的线性结第一作者：杨风艳，女，1977年12月出生，助理工程师’2008全国钢结构学术年会论文集[2008·lO]设计分析计算篇构，结构损伤前后的第f阶模态应变能分别定义为：MSE,=≯jK≯，和MSE；=≯；7K。≯；(1a，b)上标“，I：”表

6、示结构损伤，砂r是第f阶振型，K和K+是结构损伤前后系统的刚度矩阵。结构损伤前后第j单元关于第i阶模态单元应变能分别定义为：MSEu=妒i岛≯z和MSE；=矽y足j≯；(2a，b)式中岛和七j分别为结构损伤前后第．『个单元的刚度矩阵，它们分别可写为：kj=Bkjo和k；=E；kjo(3a，b)式中E』和E；分别表示结构损伤前后第，个单元的材料刚度特性参数，七∞是仅仅包含几何信息的单元刚度矩阵。把方程(3)代入方程(2)得：MSEu=YuEi秘MSE；=MSEu+AMSEu=yT：E；(4a’b)式中：y∥=≯ikjo≯t，y；

7、=妒；7如妒；。由方程(4)得：AMSEu=y；(己+4日)一y口日(5)因为系统整体刚度矩阵是由系统的各个单元刚度矩阵在整体坐标系下的集成，即：K=∑岛(6)，=1式中聊为结构的单元总数，把式(3a)和式(6)带入式(1a)中，得：A愿邑=∑≯i日‰驴r≈yr己(7)式中：yf=∑≯tT‰妒r，在大部分工程结』=I构中，结构各构件所用材料E值相同，此时MSE,-'-yiEi。方程(5)两边同除以觚得：盎AEj=㈤／／(铬+丝yi)目+一＼yt／＼A觚’／(8)Gudmunson在文献n1中根据一阶摄动理论推导了当结构发生损伤

8、时结构模态应变能变化与固有频率变化的关系：镫兰譬㈤丽2百w7假设结构只在一个单元发生损伤，则AMSEo=AMSEi(当结构在，ld个单元处发生损伤时，AMSEo≈AMSEg／nd)。把方程(9)代入方程(8)可得：肛每5刑赫㈣)令：脚；’=e}；ejkjo≯；，方程(10)分