一種基於頻率變化的結構損傷程度評估方法
2023-07-13 15:30:21 1
專利名稱：一種基於頻率變化的結構損傷程度評估方法
技術領域：
本發明涉及一種基於頻率變化的結構損傷程度評估新方法，在已知損傷位置時可 以利用結構實測頻率的變化來評估損傷的嚴重程度。
背景技術：
海洋平臺等大型工程結構在其服役期間損傷是不可避免的。為確保人員的生命安 全、減少財產損失，唯一方法是儘早診斷出結構物的結構損傷，並對損傷的程度進行評估， 以便為及時的修復加固提供科學依據和技術支持。對於如構件斷裂的損傷，目測能夠判定 損傷。然而，對於材料老化造成的損傷、損傷在不可靠近的區域或者被油漆、鏽以及海洋生 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CT等方法，都屬於結構局部損傷檢測方法。這類技 術要求損傷的大致區域必須已知的情況下才能使用，而且必須位於測試儀器可及的地方， 需要專業的技術人員對檢測結果分析，費時費力。目前基於結構動力特性變化的結構損傷 檢測方法正受到重視。眾所周知，任何結構都可以看作由剛度、質量、阻尼矩陣組成的動力 學系統，結構一旦出現損傷，結構的特性參數隨之發生改變，從而導致系統的模態參數(固 有頻率、阻尼和振型等)發生變化，所以結構的模態參數的改變可用於判定結構是否有損 傷發生，並進而評估損傷的嚴重程度。利用損傷發生前後結構模態參數的變化來診斷結構 損傷的方法，其優點是可將環境荷載作為結構的振動激勵源，損傷檢測的過程不影響結構 的正常使用，能方便地完成結構損傷的在線檢測和評估。結構損傷檢測主要包括四個層次(1)判斷結構是否發生損傷(損傷識別)；(2) 確定結構的損傷位置(損傷定位)；(3)評估結構的損傷程度(損傷程度評估)；(4)結構剩 餘壽命的預測。基於結構動力特性變化的損傷診斷方法經過多年發展，研究人員提出並發 展了許多方法，但大都集中在一、二層次，結構損傷程度評估的研究相對較少。而且這些方 法在實際運用於大型結構存在一定的局限性，主要表現在以下幾個方面(1) 一些方法進行損傷檢測時需要完備或高階的模態信息實際測試得到的結構 模態參數是不完備的，模態不完備包含量測自由度不完備和量測模態階數不完備。前者是 由於傳感器數量的限制和某些自由度信息(如轉動自由度)難以量測造成的。而後者是由 於激振荷載的頻率範圍和識別技術等方面的原因造成的，無法得到高階模態信息。(2) 一些方法需要質量歸一化的陣型信息對實際的大型結構進行振動測試時， 人工激勵是很困難的。因此常利用環境荷載(如風、波浪)進行激勵來進行振動測試，此時 激勵信息是不知道的；在僅僅知道輸出(振動響應)條件下，模態參數識別得到的振型無法 質量歸一化。如何克服這些缺點，僅利用識別得到的有限的低階模態信息進行損傷檢測，是目 前研究的重點和難點。
發明內容
本發明為解決現有結構損傷程度評估技術需要振型信息、需要高階模態的的問 題，提出一種基於頻率變化的結構損傷程度評估方法，該方法不需要振型信息，僅利用結構 損傷前後的有限的低階頻率信息即可進行損傷程度的準確評估。
即
為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案予以實現
1、一種基於頻率變化的結構損傷程度評估方法，其特徵在於，包括如下步驟
A、建立基準有限元模型；
B、識別損傷結構模態頻率<(/ = l,...，m)；
C、損傷程度評估
Cl、利用基準有限元模型和損傷結構的模態頻率<(/ = 1,...,m)，構建m個方程，
^-ω, - ω
X^(O1)rKi Φ;
η=1(Oi
其中K為基準有限元模型的總體剛度矩陣；和α η分別為第η個損傷單元的單 元剛度矩陣和損傷程度；Nd為損傷單元的個數；Oi和0丨分別為基準有限元模型和損傷結 構的第i階振型；ω i和<分別為基準有限元模型和損傷結構的第i階頻率；上標T代表矩 陣或向量的轉置；
*2 2定義 ，ν 廣『 、τ ,和夂=0' ~ω',則上式可以寫為矩陣形式
=(Φ,)ΓΚΦ； (Oi)rK, Φ；cof
Ca = b ；C2、迭代求解損傷結構完備的振型信息Φ；"；第1步迭代初始賦值。k = 0，假設損傷程度為0，即a (°) = 0，Φ*(0) = Φ，上標 「O」代表迭代初值；第2 步迭代開始，k = k+Ι。由 a = (CtC)^CTb 計算 a (k)；
Nd第3步由K*=K +J> K/n和公式計算*⑷.
n=li ajI 丄/ ,第4步設定迭代終止條件。如果maX{| a (k)-a (η) |} ( tol成立，則迭代停止， 其中tol為預先設定的容許誤差(如0. 001)；否則返回第2步繼續；C3、通過最小二乘法解出a = (CtC) _1CTba Ji = 1，…，Nd)即代表了相應單元的損傷程度。進一步地，所述B步驟中包括如下步驟Bi、利用傳感器測量結構物損傷後的結構動力響應數據，並將數據存儲入存儲器 中；B2、從所述專用存儲器中讀取存儲的結構動力響應數據，利用模態參數識別技術 識別其有限的低階模態頻率作為損傷結構模態頻率< (i =
ο本發明在已知損傷位置時可以利用結構實測頻率的變化來評估損傷的嚴重程度。
4該方法對損傷單元設立損傷程度係數，基於基準有限元模型和損傷結構有限的低階實測模 態頻率，利用結構特徵值建立了方程組，通過迭代求解，可以準確求解該損傷程度係數。與 現有技術相比，本發明的優點和積極效果在於(1)本發明不需要結構的振型信息，避開了 實測振型完備性、質量歸一化以及識別精度較低的缺點；(2)本發明僅利用損傷前後有限 的低階頻率信息進行損傷程度評估，這是非常方便的。一方面，目前振型的識別精度低於頻 率的識別精度，這樣可以把模態參數識別誤差對損傷程度評估的影響降至最低；另一方面， 頻率反映了結構的整體狀況，可以在結構的任意部位(當然以方便為準)布置少量(甚至 一個)傳感器進行振動測試，然後識別其頻率，可以有效地避開水下布置傳感器或結構內 部不宜達到的位置布置傳感器造成的不便。本發明適用於單損傷、多種損傷工況，能夠準確 評估結構的損傷程度，具有一定的實際應用價值。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發 明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明的實施海洋平臺結構有限元模型圖；圖2為本發明的實施海洋平臺結構的損傷工況示意圖；圖3為本發明的實施海洋平臺結構的損傷程度評估效果(工況1)；圖4為本發明的實施海洋平臺結構的損傷程度評估效果(工況2)；圖5為本發明的實施海洋平臺結構的損傷程度評估效果(工況3)；圖6為本發明的實施海洋平臺結構的損傷程度評估效果(工況4)；圖7為本發明的實施海洋平臺結構的損傷程度評估效果(工況5)；圖8為本發明的實施海洋平臺結構的損傷程度評估效果(工況6)；
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員 在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。一、具體算法推導以K和M表示基準有限元模型(即未損傷結構)的剛度矩陣和質量矩陣，其特徵 值問題可以表示為
( 1 )其中…和CDi分別為基準有限元模型的第i階頻率和振型。以K*和M*表示損傷結構的整體剛度矩陣和整體質量矩陣。結構的損傷一般只引 起結構剛度的變化，而對結構的質量影響很小，假設M* = M。則其特徵值問題為
( 2 )
其中<和巾1分別為損傷結構的第i階頻率和振型。利用公式⑴和(2)，可以得 到(Φ,)ΓΚ*Φ;=《(Φ,γΚΦ;(3)其中上標T代表轉置，即行列互換。假設結構有Nd個單元發生了損傷，且損傷位置已知，則損傷結構的整體剛度矩陣 可以表示為 其中，α 和In分別第η個損傷單元的損傷程度和第η個損傷單元的單元號。將 公式(4)代入公式(3)，可得
*2 2定義 ，ν, 、r二 ω' ~ ω'，則公式(5)可以寫為
Nd 寫成矩陣形式，即C α = b(7)假設已經測得了損傷結構的前m階頻率信息，則C是維數為mXNd的矩陣，α和b 分別是維數為NdXl和mXl的列向量。通過最小二乘法求解公式(7)，得到α = (CtC) _1CTb(8)α即為結構單元的損傷程度。需要說明的是，利用公式(8)求解結構的損傷程度需要用到損傷結構完備的振型 信息，這在實際應用中是不可能的。為了克服該限制條件，本發明提出了僅利用實測的低階 頻率信息，採用迭代技術來計算結構的損傷程度，具體步驟如下第1步迭代初始賦值。k = 0，假設損傷程度為0，即α (°) = 0，Φ*(0) = Φ，上標 「0」代表迭代初值。第2 步迭代開始，k = k+Ι。由 α = (CtC)^CTb 計算 α (k)；
Nd第3 步由K' +和公式,計算φ*㈨.第4步設定迭代終止條件。如果max { α (k)-a婦)|} ( tol成立，則迭代停止， 其中tol為預先設定的容許誤差(如0. 001)；否則返回第2步繼續。二、建立海洋平臺有限元模型本算例模擬研究的海洋平臺結構由柱、梁、水平斜撐、豎向斜撐等構件組成，共68 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，作為未損傷結構的基 準有限元模型。然後再模擬不同的損傷工況，得出模擬實測的模態參數。本算例模擬了六種損傷工況，包括各種構件單個損傷，多損傷以及不同程度的損傷。損傷位置示意圖如圖2 所示。三、損傷程度評估分析基於前三階實測頻率，利用本發明的方法進行損傷程度評估，各工況說明如下。損傷工況一，61號單元為斜撐杆件，發生剛度損失30%，用本發明方法可以準確 地評估損傷程度，迭代次數為4次，見圖3所示。損傷工況二，35號單元為橫撐杆件，發生剛度損失50%，用本發明方法可以準確 地評估損傷程度，迭代次數為5次，見圖4所示。損傷工況三，17號單元為立柱，發生剛度損失40%，用本發明方法可以準確地評 估損傷程度，迭代次數為10次，見圖5所示。損傷工況四，35號橫撐單元和61號斜撐單元分別發生剛度損失30%和40%，用本 發明方法可以準確地評估損傷程度，迭代次數為4次，見圖6所示。驗證了該方法對發生兩 處損傷(橫撐和斜撐)可以很好的作出評估。損傷工況五，17號立柱單元與61號斜撐單元同時發生損傷，剛度損失分別為20% 和40%，用本發明方法可以準確地評估損傷程度，迭代次數為5次，見圖7所示。驗證了該 方法對發生兩處損傷(立柱和斜撐)可以很好的作出評估。損傷工況六，17號立柱單元、35號橫撐單元與61號斜撐單元同時發生損傷，剛度 損失分別為30%、20%和40%，用本發明方法可以準確地評估各個單元的損傷程度，迭代 次數為5次，見圖8所示。驗證了該方法對多處損傷工況的損傷程度評估能力。最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡 管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然 可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替 換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精 神和範圍。
權利要求
一種基於頻率變化的結構損傷程度評估方法，其特徵在於，包括如下步驟A、建立基準有限元模型；B、識別損傷結構模態頻率C、損傷程度評估C1、利用基準有限元模型和損傷結構的模態頻率構建m個方程，即 n=1 Nd n ( i) T K ln i *= i *2 - i 2 i2 ( i) TK i * 其中K為基準有限元模型的總體剛度矩陣；和αn分別為第n個損傷單元的單元剛度矩陣和損傷程度；Nd為損傷單元的個數；Φi和分別為基準有限元模型和損傷結構的第i階振型；ωi和分別為基準有限元模型和損傷結構的第i階頻率；上標T代表矩陣或向量的轉置；定義和則上式可以寫為矩陣形式Cα＝b；C2、迭代求解損傷結構完備的振型信息第1步迭代初始賦值，k＝0，假設損傷程度為0，即α(0)＝0，Φ*(0)＝Φ，上標「0」代表迭代初值；第2步迭代開始，k＝k+1，由α＝(CTC) 1CTb計算α(k)；第3步由和公式計算第4步設定迭代終止條件，如果max{|α(k) α(k 1)|}≤tol成立，則迭代停止，其中tol為預先設定的容許誤差(如0.001)；否則返回第2步繼續；C3、通過最小二乘法解出α＝(CTC) 1CTbαi(i＝1，…，Nd)即代表了相應單元的損傷程度。FSA00000216232500011.tif,FSA00000216232500012.tif,FSA00000216232500014.tif,FSA00000216232500015.tif,FSA00000216232500016.tif,FSA00000216232500017.tif,FSA00000216232500018.tif,FSA00000216232500019.tif,FSA000002162325000110.tif,FSA000002162325000111.tif,FSA000002162325000112.tif,FSA000002162325000113.tif
2.根據權利要求1所述的基於頻率變化的結構損傷程度評估方法，其特徵在於所述B 步驟中包括如下步驟Bi、利用傳感器測量結構物損傷後的結構動力響應數據，並將數據存儲入存儲器中； B2、從所述專用存儲器中讀取存儲的參數信息，利用模態參數識別技術識別其有限的 低階模態頻率作為損傷結構模態頻率(/' = l...,m)。
全文摘要
本發明提出一種基於頻率變化的結構損傷程度評估方法，在已知損傷位置時可以利用結構實測頻率的變化來評估損傷的嚴重程度。該方法對損傷單元設立損傷程度係數，基於基準有限元模型和損傷結構有限的低階實測模態頻率，利用結構特徵值建立了方程組，通過迭代求解，可以準確求解該損傷程度係數。本發明利用損傷前後的頻率信息的差異進行損傷程度評估，不需要結構的振型信息和高階的模態信息。本發明僅利用結構損傷前後的有限的低階頻率信息，就可以進行結構的損傷程度評估。該方法適用於單損傷、多種損傷工況，能夠準確評估結構的損傷程度，具有一定的實際應用價值。
文檔編號G01N19/08GK101915733SQ20101024457
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者劉福順, 李華軍, 王樹青 申請人:中國海洋大學