基于长期监测海洋平台结构损伤识别方法研究

发布时间：2020-04-26 16:16

【摘要】：海洋气候多变、环境复杂,海洋平台结构在这样的环境下更容易腐蚀、疲劳并出现隐性损伤,从而降低结构的使用寿命,甚至造成结构损坏和失效,使生产和生命遭受损失。为能够及时了解海洋环境和平台结构的情况,需要对海洋平台结构进行结构健康监测(Structural health monitoring,SHM),即对海洋环境和和结构原型进行在位监测,及时发现问题并预警。针对海洋平台结构健康监测方法,本文研究以下内容:(1)海洋平台结构的特征识别研究海洋平台结构特征识别是损伤识别的基础。针对非平稳的环境荷载,研究从海洋平台结构响应数据中提取结构的模态参数信息。提出一种单边滑动平均的滤波方法,从经过滤波后随机减量特征中提取海洋平台结构低频特征具有更好的精度。该方法被应用在FPSO软钢臂单点系泊结构的全尺度监测数据的分析中,提取了结构的模态频率、阻尼和振型。FPSO的相对艏摇有时呈现蛇形运动现象,提出一种基于智能搜索技术的海洋结构复模态参数识别方法。该方法构造一类具有自由振动形式的原子库,使用遗传算法在结构响应数据的随机减量特征中搜索并与相应的原子匹配,从而提取结构特征。通过多自由度系统仿真验证了该方法的正确性,对软钢臂单点系泊结构的监测数据的分析表明了该方法的可行性。针对在强度非平稳海冰荷载下管架抗冰平台结构的模态特征识别,提出一种基于加速度监测数据的非线性结构分析方法,使用分段线性的随机减量技术提取结构的瞬态特征,分析了多个典型时段数据,研究导管架抗冰平台结构的特征变化规律。针对软钢臂单点系泊结构的时变性,提出一种基于EMD分解和TVAR模型的监测数据模态识别方法,分析软钢臂单点系泊结构特征的变化规律。(2)基于长期监测数据的智能损伤识别研究海洋环境荷载并不是宽带的随机过程,即使是线性系统,只从少量的监测数据中识别出来的海洋平台结构固有特征是不完整的无法从某一时段数据中提取的特征来判定结构是否出现隐性损伤。针对非线性系统,提出一种按结构响应强度的数据分段方法,给出在这种分段条件下的随机减量特征提取技术。非线性系统的仿真验证该方法的有效性。与自然分段的方法进行比较,通过该方法建立的智能分类器,识别FPSO软钢臂单点系泊结构损伤有更高的识别率。针对海洋平台的空间和计算资源紧缺,不利于长期监测的问题,对不同采样频率的加速度数据和姿态数据进行了对比分析,通过非线性系统仿真和实验室模型实验,验证了基于姿态传感器的低频采集也能够识别出结构的隐性损伤。这项研究也证实了在FPSO软钢臂单点系泊结构监测中使用倾角传感器的正确性。(3)基于长期监测数据的智能在线损伤识别和预警海洋平台结构失效的原因很多,大部分结构隐性损伤的位置和情况事先难以预料,如何在结构出现隐性损伤时及时发现,避免结构失效造成重大损失才有实际意义。本文在智能分类的基础上研究海洋结构在线损伤识别方法,提出基于长期监测数据的在线损伤智能识别方法。该方法不断地从长期监测的结构响应数据中提取特征,通过机器学习建立单分类器,正常的结构特征都应被该分类器所包容。对于没有被包容的结构正常的特征,进行增量学习、训练并更新分类器。这样经过长期的监测数据建立的分类器,是从长期海洋平台监测的大数据中学习、训练并积累经验而形成的在线损伤识别分类器,可以在线的识别海洋平台结构的隐性损伤并预警。
【图文】：

示意图,固有模态,概念,粗节

（ａ）逦（ｂ）逡逑图２．２多分辨分析图示逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｇｒａｐｈｉｃａｌ邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍｕｌｔｉｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ａｎａｌｙｓｉｓ逡逑因此，利用小波变换可以进行信号的多分辨分析，其基本思想：非平稳信号的统计逡逑特征是随时间变化的，这种变化可分为慢变部分（称为信号的粗节）和快变部分逡逑（称为信号的细节）。粗节对应信号的低频部分，代表其主体轮廓；细节对应于信号的逡逑高频部分。对信号的粗节，可以再进一步分为粗节ｆｌ＿２和细节ｒｆ＿２。如此重复，如图２．２逡逑所示。沿着相反的方向，可逐步重构出原信号，原信号表示为。这就逡逑是Ｍａｌｌａｔ提出的塔式分解与塔式综合算法。逡逑－３１－逡逑

示意图,随机减量,数据构造,系统响应

基于长期监测海洋平台结构损伤识别方法研宄逡逑由图２．６可以看出，所有的阶跃响应是相同的，，而脉冲响应有正负的数值变化，样本足够多时，脉冲响应的均值趋于零。另外，如上所述，稳态响应也在平均了足够的样本后趋于消失。因此，随机减量得到的是一个阶跃响应。逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P75

【参考文献】