非比例阻尼条件下海洋平台模型修正与损伤诊断方法研究

论文摘要

目前,我国已有相当数量的海洋平台接近或即将达到其设计寿命,但为了开发相邻地区新发现的石油储量,往往需要这些平台超龄服役。另外,还有一些油田的部分平台其服役期限虽然还未达到设计寿命,但这些平台由于设计施工不当或使用过程中受到腐蚀、疲劳、碰撞以及恶劣环境载荷的作用,各构件出现不同程度的损伤,致使平台结构的整体安全性和完整性受到威胁。因此,如何合理评价这些平台的健康状况成为迫切需要解决的问题。为更好的保证服役中及需超期服役海洋平台的安全服役,针对目前大部分模型修正与损伤诊断方法未考虑阻尼特性及在处理实测模态不完备性方面的不足,本文在阻尼矩阵识别、结构损伤诊断及试验模型边界条件修正三个方面进行基础性的研究工作;同时,开展新方法——动力等效子结构法的前期的研究工作;接下来在实验室中通过一钢质悬臂梁模型验证理论方法的正确性;最后,通过对埕北22B井组平台海上动力测试,探讨测试方案的可行性及获取其低阶动力特性的可能性。本文在理论上将交叉模型交叉模态(CMCM)方法从无阻尼体系推广到阻尼体系,解决应用空间不完备的低阶实测模态进行模型修正与损伤诊断的问题。在阻尼矩阵识别方面,文中提出两种阻尼矩阵识别方法——整体阻尼矩阵识别方法与单元阻尼矩阵识别方法。前者适用于复杂结构,后者适用于相对简单的结构,并且两种方法均可处理实测模态空间不完备问题。在损伤识别方面,直接应用CMCM方法的修正系数α_n作为损伤诊断指标适用于实测模态测试误差较小的情况,新发展的损伤定位指标MSECI_n较α_n在刚度损伤定位方面具有更好的鲁棒性,并且发展的复合指标诊断方法能充分发挥上述两种损伤指标的优势,推动了CMCM方法的实际工程应用。当模型实验精度要求较高时,为充分考虑地基对模型的约束程度,文中提出基于边界条件的试验模型修正方法,通过调整物理模型与地基的边界条件,实现修正后的有限元模型与真实模型在低阶动力特性上一致或尽可能吻合的要求,该方法不仅适用于实测模态空间不完备的情形,而且所选用的初始估计矩阵的形式具有常规性,工程意义明显。文中还探讨新的动力子结构方法——动力等效子结构方法,其数值结果证实,当子结构选取比较合理时,可以实现子结构与整体结构在低阶模态上的动力等效。钢质悬臂梁物理模型实验亦证实基于边界条件的试验模型修正方法、复合指标诊断方法及动力等效子结构方法均具有较好的工程应用前景。埕北22B井组平台海上动力测试结果表明,所采用的海洋平台动力测试方案切实可行,具有较好的通用性,而且可以比较精确的获得平台的低阶频率,但识别的振型其精度需待提高。Friswell在其书中提到,在现有模型修正领域有三个公认的难题:其一是实测模态与理论模态的配对问题;其二是实测模态与理论模态的比例问题;最后是结构的阻尼模拟问题。本文的研究成果不仅可考虑结构的阻尼特性,甚至可将阻尼模拟为非比例阻尼,而且该方法既不要求实测模态与理论模态配对,也不要求二者的比例问题。可以说本文在一定程度上解决了模型修正领域的三个难题,理论创新性明显;所进行的物理模型实验及海洋平台现场动力测试推动了文中方法在海洋平台中的应用,工程意义明显。其研究成果虽然主要服务于海洋平台的模型修正与损伤诊断,但也可应用于航空航天、土木工程以及汽车工程结构的同类问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 阻尼矩阵识别技术
• 1.2.2 结构模型修正与损伤诊断技术
• 1.2.3 已有研究成果综合分析及尚需进一步解决的问题
• 1.3 本文的研究目的与研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究目的
• 1.3.3 研究内容
• 参考文献
• 2 阻尼体系的交叉模型交叉模态方法－CROSS MODEL CROSS MODE（CMCM）
• 2.1 基础知识
• 2.1.1 线性阻尼体系的特征值分析
• 2.1.2 静态缩阶（Guyan）方法
• 2.1.3 动力缩阶法（Dynamic Reduction）
• 2.1.4 改进的缩阶系统（Improved Reduced System）
• 2.1.5 系统等效缩阶扩展（SEREP）方法
• 2.2 特征向量的不完备性
• 2.2.1 空间不完备性
• 2.2.2 模态不完备性
• 2.3 阻尼体系的交叉模型交叉模态模型修正（CMCM）方法
• 2.4 测试数据不完备条件下的CMCM 方法
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 3 非比例阻尼矩阵识别方法
• 3.1 矩阵分解方法
• 3.1.1 整体坐标系下阻尼矩阵分解
• 3.1.2 局部坐标系下阻尼矩阵分解
• 3.2 阻尼矩阵识别方法
• 3.3 测试数据不完备条件下的阻尼矩阵识别方法
• 3.4 集中质量－弹簧－阻尼体系的阻尼矩阵识别
• 3.4.1 整体阻尼矩阵识别
• 3.4.2 单元阻尼矩阵识别
• 3.5 钢质悬臂梁的阻尼矩阵识别
• 3.5.1 整体阻尼矩阵识别
• 3.5.2 单元阻尼矩阵识别
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 4 空间不完备复模态条件下海洋平台损伤诊断
• 4.1 实测复模态不完备条件下的结构损伤诊断方法
• 4.2 补充约束方程检验——集中质量－弹簧－阻尼模型
• 4.2.1 某单元质量已知
• 4.2.2 某单元刚度已知
• 4.2.3 体系总质量已知
• 4.3 钢质悬臂梁的损伤诊断
• 4.3.1 实测模态无噪声时的损伤诊断
• 4.3.2 实测模态有噪声时的损伤诊断
• 4.4 导管架平台的损伤诊断
• 4.5 损伤诊断放大指标
• 4.6 损伤诊断复合指标方法数值验证
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 5 基于边界条件的试验模型修正方法
• 5.1 问题描述
• 5.2 基于边界条件的试验模型修正方法
• 5.2.1 边界条件矩阵分解
• 5.2.2 边界条件修正技术
• 5.3 悬臂梁模型
• 5.3.1 边界条件未知时的试验模型修正
• 5.3.2 实测模态空间不完备时的试验模型修正
• 5.3.3 边界条件部分修正时的试验模型修正
• 5.3.4 实测模态具有测试误差时的试验模型修正
• 5.4 三腿导管架平台模型
• 5.4.1 实测模态空间完备且无误差时边界条件修正
• 5.4.2 实测模态空间不完备时边界条件修正
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 6 动力等效子结构法
• 6.1 问题描述
• 6.2 子结构的系统参数
• 6.2.1 刚度矩阵
• 6.2.2 质量矩阵
• 6.2.3 阻尼矩阵
• 6.3 动力等效子结构法
• 6.4 集中质量－弹簧－阻尼体系
• 6.4.1 子结构为整体结构
• 6.4.2 子结构为整体的部分结构
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 7 交叉模型交叉模态模型修正方法的改进
• 7.1 基准模型振型选取问题的改进
• 7.2 CMCM 方程组求解方法的改进—SVD 技术的应用
• 7.3 线性规划方法施加约束条件
• 7.4 数值验证
• 7.4.1 SVD 技术求解CMCM 方程组数值验证
• 7.4.2 线性约束条件嵌入CMCM 方法验证
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 8 钢质悬臂梁物理模型实验研究
• 8.1 实验目的及方法
• 8.1.1 实验目的
• 8.1.2 实验方法
• 8.2 实验仪器设备
• 8.3 实验物理模型
• 8.4 实测数据及分析
• 8.5 基于边界条件的试验模型修正方法检验
• 8.5.1 匹配第一阶模态
• 8.5.2 同时匹配多阶模态
• 8.6 CMCM 损伤诊断方法检验
• 8.6.1 有限元模型修正
• 8.6.2 悬臂梁损伤诊断
• 8.7 动力等效子结构法检验
• 8.8 本章小结
• 9 CB22B 井组平台海上动力测试
• 9.1 测试目的
• 9.2 实施方案
• 9.2.1 主要工作内容
• 9.2.2 测试依据
• 9.2.3 测试前的准备工作
• 9.2.4 测试方案
• 9.3 CB22B 平台测试方案
• 9.3.1 CB22B 平台简介
• 9.3.2 传感器布置
• 9.3.3 船拉激励与数据采集
• 9.4 CB22B 平台现场振动测试结果
• 9.5 振动测试结果分析
• 9.6 本章小结
• 10 结论与展望
• 10.1 主要结论
• 10.2 研究展望
• 本文的主要创新点
• 附录1——图一览
• 附录2——表一览
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果