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专利名称：基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法
技术领域：
本发明涉及结构损伤定位与损伤程度评估的方法，尤其涉及一种可以利用损伤结构实测的低阶频率来确定结构的损伤位置，并评估损伤的严重程度的基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法。属于海洋石油工程领域。
背景技术：
海洋平台等大型工程结构在其服役期间损伤是不可避免的，而确保结构安全的唯一方法是尽早确定出结构的损伤位置，并对损伤的程度进行评估，以便进行及时的维修加固。目前，对于结构损伤的检测方法主要包括目测和超声、磁粉、声发射等局部无损 检测方法等。然而，由于较弱的视觉观测条件以及损伤部位有可能被海生物覆盖等原因，阻碍了目测的效果。此外，上述方法中技术要求结构的损伤区域是以已知作为先决条件，要求配备特殊额外的测试设备和专业人员。因此，上述方法对海洋平台的检测不太方便，并且检测费用昂贵。与上述方法相比较，基于振动测试的结构损伤诊断技术是相对简单、成本较低的，被公认为是较有发展前景的全局性损伤检测方法。这种方法的基本原理是损伤将导致结构的系统刚度发生改变，因而导致结构的动力特性参数(如结构的频率、振型等)的变化，所以，结构的动力特性参数能够作为结构损伤诊断的指标，用于判定结构是否有损伤发生，并进而评估损伤的严重程度。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，能方便地完成结构损伤的在线检测和评估。结构的损伤诊断包括四个层次(I)判断结构是否发生损伤(损伤识别)；(2)确定结构的损伤位置(损伤定位)；(3)评估结构的损伤程度(损伤程度评估)；(4)结构剩余寿命的预测。基于结构动力特性变化的损伤诊断方法经过多年发展，研究人员提出并发展了许多方法，但大都集中在一、二层次。可以同时进行损伤定位和损伤程度评估的研究成果较少，而且，这些方法在实际应用中，尤其是应用于大型结构存在一定的局限性如下(I)需要高阶的模态信息由于激振荷载的频率范围和识别技术等方面的原因，一般很难得到高阶模态信息；(2)需要完备的模态信息由于传感器数量的限制和某些自由度信息(如转动自由度)难以量测，实际测试得到的结构模态参数是不完备的；(3)需要质量归一化的阵型信息对环境荷载激励下仅利用输出响应进行模态参数识别，其识别得到的振型无法质量归一化。如何克服这些缺点，仅利用识别得到的有限的低阶模态信息进行损伤检测，是目前研究的重点和难点。

发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法，其不需要结构的振型信息，仅利用结构损伤前后的有限的低阶频率信息即可准确地进行损伤定位和损伤程度评估；适用于单损伤、多种损伤工况，具有一定的实际应用价值。本发明的目的是由以下技术方案实现的一种基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法，其特征在于采用以下步骤 第一步建立末损伤结构的有限元模型，作为基准有限元模型；第二步对损伤结构进行振动测试，识别损伤结构的m阶模态频率
权利要求
1.一种基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法，其特征在于采用以下步骤 第一步建立未损伤结构的有限元模型，作为基准有限元模型； 第二步对损伤结构进行振动测试，识别损伤结构的m阶模态频率< (I = ; 第三步对损伤结构进行损伤程度评估； 第四步对损伤结构进行损伤位置确定。
2.根据权利要求I所述的基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法，其特征在于所述第一步中，基准有限元模型以K和M表示，即未损伤结构的刚度矩阵和质量矩阵，其特征值表示为 其中，COi和Oi分别为基准有限元模型的第i阶频率和振型。
3.根据权利要求I所述的基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法，其特征在于所述第二步中，识别损伤结构的m阶模态频率O,4 (i = I，....M)具体步骤如下 (1)、利用传感器测量结构物损伤后的结构动力响应数据，并将数据存储入存储器中； (2)、从存储器中读取存储的参数信息，利用模态参数识别方法识别其有限的低阶模态频率作为损伤结构模态频率
4.根据权利要求1、2或3所述的基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法，其特征在于所述损伤结构是以未损伤结构的刚度矩阵和质量矩阵特征值公式Kcp1 =为基准，以K*和M*表示损伤结构的整体刚度矩阵和整体质量矩阵，结构损伤一般只引起结构刚度的变化，而对结构的质量影响很小，设定M* = M，则其特征值为
5.根据权利要求I所述的基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法，其特征在于所述第三步中，对损伤结构进行损伤程度评估的具体步骤如下 (1)设定损伤位置已知，利用基准有限元模型和损伤结构的模态频率
6.根据权利要求I所述的基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法，其特征在于所述第四步中，损伤位置确定的具体计算步骤为 (1)设定共有Nk个损伤工况，利用Nm组频率变化对每一个损伤工况进行损伤程度评估，得到Nm个损伤程度估计值《i i = 1，…，Nm，下标k表示第k个设定的损伤工况； (2)利用损伤程度估计值(i= l , N.)构建损伤定位因子DIk,其定义为
全文摘要
一种基于频率变化的结构损伤定位与损伤程度的评估方法，其特征在于采用以下步骤第一步建立未损伤结构的有限元模型，作为基准有限元模型；第二步对损伤结构进行振动测试，识别损伤结构的m阶模态频率第三步对损伤结构进行损伤程度评估；第四步对损伤结构进行损伤位置确定。本发明不需要结构的振型信息，仅利用结构损伤前后的有限的低阶频率信息即可准确地进行损伤定位和损伤程度评估；适用于单损伤、多种损伤工况，具有一定的实际应用价值。
文档编号G01N29/12GK102759573SQ20121026018
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者刘福顺, 孙贞, 孟元栋, 张敏, 李华军, 李志刚, 李英超, 王喆, 王巍巍, 王树青, 石湘, 邹道标, 陈祥余, 高志强 申请人:中国海洋大学, 中国海洋石油总公司, 中海石油(中国)有限公司湛江分公司, 海洋石油工程股份有限公司