專利名稱：一種基于模態(tài)信息的結構損傷診斷新方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用模態(tài)信息(交叉模型交叉模態(tài))的損傷檢測方法，特別是針對海洋工程結構物的損傷診斷方法。
背景技術：
海洋平臺等大型結構物在其服役期間損傷不可避免。海洋平臺結構長期服役在惡劣的海洋環(huán)境中，受到如風載荷、波浪載荷、冰載荷等各種載荷的交互作用，有時還要遭到地震、臺風、海嘯、船碰等意外打擊。由于其造價昂貴和工作性質，一旦發(fā)生事故，不僅會帶來不可估量的經濟損失和人員傷亡，而且還會對海洋環(huán)境造成嚴重的污染，造成不良的社會政治影響。
通常大型結構物的損傷在結構服役期間是不可避免的。為確保人員的生命安全、減少財產損失，唯一方法是盡早診斷出結構物的結構損傷，并能及時進行修復工作。由于海洋平臺結構的使用不能中斷以及昂貴的造價，在役結構的安全評估應該是無損或微損的方法，目測是通常所用的無損檢測方法，對于如構件斷裂的損傷，目測能夠判定損傷。然而，對于材料老化造成的損傷、損傷在不可靠近的區(qū)域或者被油漆、銹以及海洋生物覆蓋著是很難利用目測檢測損傷的，所以利用目測進行無損檢測是不可靠的。其它無損檢測技術，如X光檢測、超聲檢測、工業(yè)CT等方法，都屬于結構局部損傷檢測方法。這類技術要求損傷的大致區(qū)域必須已知的情況下才能使用，而且必須位于測試儀器可及的地方。目前基于振動響應測試的結構損傷檢測方法正受到重視。這是因為，對大型工程結構，一方面人工激勵需要專用的設備，測試成本非常高，而且有時環(huán)境荷載的影響也不可消除。另一方面，從發(fā)展在線監(jiān)測的角度來說，利用環(huán)境荷載激勵下的響應信息進行損傷診斷更可行。但應該注意，如果模態(tài)參數(shù)是通過環(huán)境載荷激勵條件下測試得到的振動響應進行識別的，得到的結構模態(tài)振型是無法質量歸一化的。這就使得目前發(fā)展的大多數(shù)損傷診斷方法是不適用的，另外海洋平臺結構在服役期間，由于海生物附著、上層結構設備的安裝與拆卸，導管架進水等原因會引起結構單元質量的變化，當前的損傷診斷方程中很少有考慮質量變化的。由于上述兩方面的原因，針對海洋平臺等結構，利用環(huán)境荷載激勵下的振動測試響應，發(fā)展一套適于在線的損傷診斷方法是必要的。

發(fā)明內容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術中存在的結構損傷無損檢測需要質量歸一化的振型，以及完備或高階的模態(tài)參數(shù)，損傷程度評估準確度不高、沒有考慮結構單元質量的變化等問題，提出一種基于模態(tài)信息的結構損傷診斷新方法，該方法不需要質量歸一化的振型，僅利用結構損傷前后的低階模態(tài)信息即可，可以同時考慮結構剛度和質量的變化。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)一種基于模態(tài)信息的結構損傷診斷新方法，包括如下步驟(1)基準模型建立首先，根據結構物未損傷狀態(tài)下的結構建立有限元模型；其次，將上述結構物的在役結構動力狀態(tài)下，存儲結構物服役階段的環(huán)境激勵下傳感器實測的結構動力響應數(shù)據，利用模態(tài)參數(shù)識別技術識別其模態(tài)參數(shù)；最后通過模型修正方法修正在役結構物的有限元模型，得到能夠反映未損傷結構實際動力特性的模型，作為損傷診斷的基準模型；(2)損傷檢測利用傳感器測量結構物損傷后的結構動力響應數(shù)據，利用模態(tài)參數(shù)識別技術識別其模態(tài)參數(shù)，從實驗模型中提取出Nj階模態(tài)，從基準模型中提取出Ni階模態(tài)，通過基準模型和實驗模型的交叉，以及不同階的模態(tài)交叉形成Nm＝Ni×Nj個交叉模型交叉模態(tài)方程，寫為矩陣形式，有Cα+Eβ＝f式中C和E為Nm×Ne階矩陣；α和β為Ne階列向量；f為Nm階列向量，由此式可寫為Gγ＝f
式中G＝[C E]，γ=αβ]]>通過最小二乘法解出γ^=(GTG)-1GTf,]]>上標T表示轉置，其中Cn,ij=ΦiTKnΦj*,]]>En,m=-λj*Dn,m,]]>Dn,ij=ΦiTMnΦj*,]]>fm=-Cm+λj*Dm,]]>K和M分別表示結構的剛度矩陣和質量矩陣，Kn表示第n個單元的單元剛度矩陣，Mn表示第n個單元的單元質量矩陣，Φi，Φj*分別指結構基準模型和實驗模型的模態(tài)振型，λi和λj*是基準模型和實驗模型的特征值，這樣利用基準模型和實測模態(tài)信息即可確定表示結構單元剛度和質量發(fā)生變化的修正系數(shù)αi(i＝1，…，Ne)和βi(i＝1，…，Ne)，其中α為結構單元的剛度修正系數(shù)，若-1≤αi＜0則表示第i單元發(fā)生損傷；β表示結構單元質量的變化，若βi≠0表示第i單元的質量發(fā)生了變化；(3)損傷程度評估所得到的修正系數(shù)αi(i＝1，…，Ne)和βi(i＝1，…，Ne)的值的大小代表了相應單元的損傷程度和質量變化情況。
所述的(2)損傷定位步驟和(3)損傷程度評估步驟中都是通過損傷表征向量α和β來表示的，α表示結構剛度的變化，-1≤αj＜0，表示第j單元發(fā)生損傷，αj≥0，表示第j單元沒有發(fā)生損傷，αj＜-1，沒有物理意義，β表征的是結構質量的變化，如果在損傷檢測中包含質量變化，該方法亦可適用。
所述的結構服役階段的環(huán)境激勵下傳感器實測的結構動力響應數(shù)據，其或是加速度，或是速度，或是位移。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是本發(fā)明利用損傷前后的模態(tài)信息的差異進行損傷定位和損傷程度評估，利用結構的單元剛度矩陣和質量矩陣作為診斷項，根據損傷表征向量一次性進行損傷定位和損傷程度評估。本發(fā)明不需要質量歸一化的振型，僅利用結構損傷前后的低階模態(tài)信息即可，可以同時考慮結構剛度和質量的變化。該方法適用于單損傷，多種損傷工況下，能夠精確定位出框架結構的損傷位置和損傷程度，具有一定的實際應用價值。


圖1為本發(fā)明的實施海洋平臺結構有限元模型圖；圖2為本發(fā)明的實施海洋平臺結構的損傷工況示意圖；圖3為本發(fā)明的實施海洋平臺結構的診斷效果圖(工況1，2)；圖4為本發(fā)明的實施海洋平臺結構的診斷效果圖(工況3，4)；圖5為本發(fā)明的實施海洋平臺結構的診斷效果圖(工況5，6)；圖6為本發(fā)明的診斷復雜三維結構損傷流程示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
一、具體算法推導以K和M表示未損傷結構的剛度矩陣和質量矩陣，K*和M*表示損傷結構的剛度矩陣和質量矩陣。
K*=K+Σn=1NeαnKn---(1)]]>M*=M+Σn=1NeβnMn---(2)]]>αn，βn分別是第n個單元的剛度損失系數(shù)和質量變化系數(shù)，Ne為結構的單元數(shù)。損傷結構的特征值關系為K*Φj*=λj*M*Φj*---(3)]]>把式(1)、式(2)代入上式中，并左乘ΦiT得到Cij+Σn=1NeαnCn,ij=λj*(Dij+Σn=1NeβnDn,ij)---(4)]]>其中，Cij=ΦiTKΦj*,]]>Cn,ij=ΦiTKnΦj*,]]>Dij=ΦiTMΦj*,]]>Dn,ij=ΦiTMnΦj*.]]>用一個新的指數(shù)m代替ij，公式(4)可改寫為Cm+Σn=1NeαnCn,m=λj*(Dm+Σn=1NeβnDn,m)---(5)]]>則Σn=1NeαnCn,m+Σn=1NeβnEn,m=fm---(6)]]>其中，fm=-Cm+λj*Dm,]]>En,m=-λj*Dn,m.]]>當Ni個模態(tài)來自未損傷結構的有限元模型，Nj個模態(tài)來自實測損傷結構，從公式(6)中可以得到Nm＝Ni×Nj個方程。將其寫做矩陣的形式Cα+Eβ＝f (7)上式也可寫為Gγ＝f (8)式中G＝[C E]，γ=αβ]]>γ通過最小二乘法解出γ^=(GTG)-1GTf,]]>上標T表示轉置。最終求解出α，β，即損傷診斷指標，其中含有損傷位置，損傷程度，各單元質量變化等信息。
二、建立海洋平臺有限元數(shù)值模型本算例模擬研究的海洋平臺結構由樁、梁、斜撐構件組成，共42個單元，如圖1所示。利用MATLAB編寫有限元程序，建立有限元模型，作為未損傷結構模型。然后再模擬不同損傷工況，得出模擬實測的模態(tài)參數(shù)。本算例模擬六種損傷工況，包括各種構件單個損傷，多損傷以及不同程度的損傷。具體損傷工況見表1所示，損傷位置示意圖如圖2所示。
三、損傷診斷分析通過提取基準模型的前42階模態(tài)信息和損傷結構的第1階模態(tài)就可以準確地進行定位?；蛘哌x取基準模型的前21階模態(tài)和損傷結構的前2階模態(tài)即可完成損傷定位和損傷程度評估。如果事先可以縮小損傷的范圍，則需要的模態(tài)信息可以更少。
損傷工況一，13號單元發(fā)生剛度損失25％，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準確地定位和評估損傷程度。
損傷工況二，18號單元發(fā)生剛度損失1％，該損傷程度很小，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準確地定位和評估損傷程度。說明該方法從理論上可以很好的對輕微損傷作出診斷。
損傷工況三，25號和15號單元發(fā)生剛度損失25％和15％，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準確地定位和評估損傷程度。驗證了該方法對發(fā)生兩處損傷工況可以很好的作出診斷。
損傷工況四，13號、14號、18號單元發(fā)生剛度損失5％、25％和15％，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準確地定位和評估損傷程度。從圖2可以看出，損傷的三個構件是相鄰的。驗證了該方法對多處相鄰損傷工況的準確識別能力。
損傷工況五，5號、14號、31號單元發(fā)生剛度損失25％、3％和10％，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準確地定位和評估損傷程度。從圖2可以看出，損傷的三個構件是彼此相隔的。驗證了該方法對多處相隔損傷工況的準確識別能力。
損傷工況六，13號、16號、17號、18號、31號單元發(fā)生剛度損失5％、25％、10％、20％和3％，用交叉模型交叉模態(tài)方法可以準確地定位和評估損傷程度。驗證了該方法對多處損傷工況的準確識別能力。從理論上講，該方法可以用于所有單元都發(fā)生損傷的情況，甚至對個別構件剛度完全損失亦可診斷出來。
本發(fā)明主要針對導管架式海洋平臺等復雜大型工程結構物，在環(huán)境載荷激勵下利用動力測試對結構進行損傷診斷。由于人工施加激勵力對于大型工程結構需要大量的專用設備、測試成本較高。因此利用環(huán)境載荷作用下結構的振動響應進行損傷診斷對于海洋平臺實時的結構健康監(jiān)測是非常關鍵的。本發(fā)明提出適用于海洋平臺等大型工程結構實時檢測/監(jiān)測的損傷診斷方法，用于建立結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以提高結構對未知損傷的預警能力，盡早地發(fā)現(xiàn)結構的潛在損傷，以便及時采取修復措施，避免造成過大經濟損失和人員傷亡。
當然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術領域的普通技術人員在本發(fā)明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種基于模態(tài)信息的結構損傷診斷新方法，其特征在于包括如下步驟(1)基準模型建立首先，根據結構物未損傷狀態(tài)下的結構建立有限元模型；其次，將上述結構物的在役結構動力狀態(tài)下，存儲結構物服役階段的環(huán)境激勵下傳感器實測的結構動力響應數(shù)據，利用模態(tài)參數(shù)識別技術識別其模態(tài)參數(shù)；最后通過模型修正方法修正所述在役結構物的有限元模型，得到能夠反映未損傷結構實際動力特性的模型，作為損傷診斷的基準模型；(2)損傷檢測利用傳感器測量結構物損傷后的結構動力響應數(shù)據，利用模態(tài)參數(shù)識別技術識別其模態(tài)參數(shù)，從實驗模型中提取出Nj階模態(tài)，從基準模型中提取出Ni階模態(tài)，通過基準模型和實驗模型的交叉，以及不同階的模態(tài)交叉形成Nm＝Ni×Nj個交叉模型交叉模態(tài)方程，寫為矩陣形式，有Cα+Eβ＝f式中C和E為Nm×Ne階矩陣；α和β為Ne階列向量；f為Nm階列向量，由此式可寫為Gγ＝f式中G＝[C E]，γ=αβ]]>通過最小二乘法解出γ^=(GTG)-1GTf,]]>上標T表示轉置，其中Cn,ij=ΦiTKnΦj*,]]>En,m=-λj*Dn,m,]]>Dn,m=ΦiTMnΦj*,]]>fm=-Cm+λj*Dm,]]>K和M分別表示結構的剛度矩陣和質量矩陣，Kn表示第n個單元的單元剛度矩陣，Mn表示第n個單元的單元質量矩陣，Фi，Фj*分別指結構基準模型和實驗模型的模態(tài)振型，λi和λj*是基準模型和實驗模型的特征值，這樣利用基準模型和實測模態(tài)信息即可確定表示結構單元剛度和質量發(fā)生變化的修正系數(shù)αi(i＝1，…，Ne)和βi(i＝1，…，Ne)，其中α為結構單元的剛度修正系數(shù)，若-1≤αi＜0則表示第i單元發(fā)生損傷；β表示結構單元質量的變化，若βi≠0表示第i單元的質量發(fā)生了變化；(3)損傷程度評估所得到的修正系數(shù)αi(i＝1，…，Ne)和βi(i＝1，…，Ne)的值的大小代表了相應單元的損傷程度和質量變化情況。
2.根據權利要求1所述結構損傷診斷新方法，其特征在于所述的(2)損傷定位步驟和(3)損傷程度評估步驟中都是通過損傷表征向量α和β來表示的，α表示結構剛度的變化，-1≤αj＜0，表示第j單元發(fā)生損傷，αj≥0，表示第j單元沒有發(fā)生損傷，αj＜-1，沒有物理意義，β表征的是結構質量的變化。
3.根據權利要求1或2所述結構損傷診斷新方法，其特征在于所述的結構服役階段的環(huán)境激勵下傳感器實測的結構動力響應數(shù)據，其或是加速度，或是速度，或是位移。
全文摘要
本發(fā)明一種基于大型在役結構物動力特性的損傷檢測方法利用損傷前后的模態(tài)信息的差異進行損傷定位和損傷程度評估，利用結構的單元剛度矩陣和質量矩陣作為診斷項，根據損傷表征向量一次性進行損傷定位和損傷程度評估。本發(fā)明不需要質量歸一化的振型，僅利用結構損傷前后的低階模態(tài)信息即可，可以同時考慮結構剛度和質量的變化。該方法適用于單損傷，多種損傷工況下，能夠精確定位出框架結構的損傷位置和損傷程度，具有一定的實際應用價值。
文檔編號G01M99/00GK101034053SQ200710013349
公開日2007年9月12日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權日2007年2月13日
發(fā)明者李華軍, 胡少龍, 王樹青, 王俊榮, 張敏 申請人:中國海洋大學