海工结构寿命预测方法技术

本申请提供了一种海工结构寿命预测方法，包括：在待测海工结构布置多个应变监测点，根据各应变监测点得到的实测应变分量，重构所述待测海工结构的全场应变动力响应；根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度；根据所述待测海工结构的全场应变动力响应，生成所述待测海工结构内的残余应力场，确定动力安定载荷域；根据所述动力安定载荷域预测所述海工结构的剩余寿命。根据本申请实施例，该方法基于模态扩展的动力应变重构和动力安定分析方法，对结构的寿命进行预测，计算简单可行，预测结果精度高。预测结果精度高。预测结果精度高。

【技术实现步骤摘要】
海工结构寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及海工结构
，尤其涉及一种海工结构寿命预测方法。

技术介绍

[0002]风电建设正向着海上风电发展，风电塔筒和叶片除了受到风荷载等作用外，还受波浪、潮流等自然环境因素带来的荷载冲击和腐蚀等影响。由于外部环境载荷很难确定，传统的传感器如应变仪被广泛用于收集操作数据，但这些传统的方法不能提供全现场数据，而只能显示几个离散位置的测量数据，实际上很多情况下破坏发生在没有监测的区域或者无法监测的点，因此结构的变形和应力很难估计，海上风电结构的寿命预测是技术难题。

技术实现思路

[0003]本申请实施例的目的是提供一种海工结构寿命预测方法，基于模态扩展的动力应变重构和动力安定分析方法，对结构的寿命进行预测。
[0004]为了实现上述目的，本申请提供一种海工结构寿命预测方法，包括：
[0005]在待测海工结构布置多个应变监测点，根据各应变监测点得到的实测应变分量，重构所述待测海工结构的全场应变动力响应；
[0006]根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度；
[0007]根据所述待测海工结构的全场应变动力响应，生成所述待测海工结构内的残余应力场，确定动力安定载荷域；
[0008]根据所述动力安定载荷域预测所述海工结构的剩余寿命。
[0009]可选的，
[0010]所述重构所述待测海工结构的全场应变动力响应，包括：
[0011]利用模态分析法得到所述待测海工结构的位移y(t)表示为：
[0012][0013]其中，q
i
(t)为模态i对应的坐标，位移振型φ
i
，N为振型数；
[0014]构建所述待测海工结构的应变场ε(t)为：
[0015]ε(t)＝By(t)＝BΦq(t)＝Φ
ε
q(t)
[0016]其中，B为应变矩阵，应变振型Φ
ε
＝BΦ；
[0017]假设应变场ε(t)包含n个全场应变动力响应分量{ε
n
}，其中{ε
a
}为a个监测点得到的实测应变分量，{ε
d
}为d个预测应变分量，则全场应变动力响应表示为
[0018][0019]其中，为nxN的矩阵，{ε
a
}＝[φ
εa
]{q}，{q}为Nx1列向量，{q}＝([φ
εa
]T
[φ
εa
])
‑1[φ
εa
]T
{ε
a
}＝[φ
εa
]g
{ε
a
}；
[0020]则根据实测应变分量得到全场应变动力响应{ε
n
}＝[φ
ε
][φ
εa
]g
{ε
a
}＝[T]{ε
a
}。
[0021]可选的，
[0022]所述根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度，包括：
[0023]第i点应变的预测置信度为
[0024][0025]其中，N
t
为选取的所有时间点，为第i点预测应变响应分量，ε
i
为第i点实测应变响应分量。
[0026]可选的，
[0027]所述生成所述待测海工结构内的残余应力场，包括：
[0028]构建所述待测海工结构内的应力场为：
[0029]σ(t)＝λσ
E
(t)+ρ(t)
[0030]其中，σ
E
(t)＝Dε(t)为弹性应力场，ε(t)为应变场；ρ(t)为残余应力场，λ为安定载荷乘子。
[0031]定义t时刻的补偿应力为：
[0032][0033]其中，ξ(t)为补偿应力乘子，为等效应力，σ
y
为材料屈服应力；
[0034]对结构进行有限元离散，利用应力补偿法得到残余应力场变化率为：
[0035][0036][0037]其中，K是有限元刚度矩阵，D是弹性系数矩阵,B为应变矩阵，为恒定的弹性应力场，为变化的循环弹性应力场；
[0038]通过时间离散化，Δt为时间步长，第kΔt(k＝1,,,r)时刻表示为t
k
，对第m个载荷乘子λ
m
对应的残余应力场求解，得到第n+1步的残余应力场为：
[0039][0040][0041][0042]当所有t
k
对应的补偿应力乘子ξ(t
k
)满足|ξ
n+1
(t
k
)
‑
ξ
n
(t
k
)|<δ1时，δ1为迭代收敛算子，表示得到第m个载荷乘子λ
m
对应的残余应力场。
[0043]可选的，
[0044]所述确定动力安定载荷域，包括：
[0045]假设第n+1步得到λ
m
对应的残余应力场ρ
n+1
，对第m个载荷乘子λ
m
进行迭代求解得到安定载荷乘子，即：
[0046]且
[0047]且
[0048]其中，最大补偿应力乘子δ2,η为安定乘子迭代步长，δ3为收敛判断因子。
[0049]可选的，
[0050]所述的方法还包括：
[0051]确定疲劳破坏曲线，识别所述海工结构损伤破坏区。
[0052]可选的，
[0053]所述确定疲劳破坏曲线，包括：
[0054]根据Miner线性累积损伤方法，确定疲劳破坏曲线，即：
[0055][0056]其中，D
f
为结构损伤参数，D
f
＝1表示失效，n
cycle
为所有的疲劳点，n
i
为第i个应力幅对应的循环次数；为第i个应力幅Δσ
i
对应的疲劳破坏循环次数，表示为Δσ
i
＝EΔε
i
，Δσ
ref
为结构材料极限应力幅，m为结构材料系数。
[0057]在本申请实施例中，利用模态扩展方法对海工结构进行健康监测，实现了对全场应变场预测。即：通过在待测海工结构布置多个应变监测点，根据各应变监测点得到的实测应变分量，得到了结构模态，然后利用模态扩展法和有限的应变监测数据进行了结构应变动力响应重构；根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度，并根据动力安定分析方法，对结构的寿命进行了预测。该方法基于模态扩展的动力应变重构和动力安定寿命预测，计算简单，更具有可行性，预测结果精度高。
[0058]此外，本申请实施例还可以根据Miner线性累积损伤方法，确定疲劳破坏曲线，识别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海工结构寿命预测方法，其特征在于，包括：在待测海工结构布置多个应变监测点，根据各应变监测点得到的实测应变分量，重构所述待测海工结构的全场应变动力响应；根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度；根据所述待测海工结构的全场应变动力响应，生成所述待测海工结构内的残余应力场，确定动力安定载荷域；根据所述动力安定载荷域预测所述海工结构的剩余寿命。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重构所述待测海工结构的全场应变动力响应，包括：利用模态分析法得到所述待测海工结构的位移y(t)表示为：其中，q
i
(t)为模态i对应的坐标，位移振型φ
i
，N为振型数；构建所述待测海工结构的应变场ε(t)为：ε(t)＝By(t)＝BΦq(t)＝Φ
ε
q(t)其中，B为应变矩阵，应变振型Φ
ε
＝BΦ；假设应变场ε(t)包含n个全场应变动力响应分量{ε
n
}，其中{ε
a
}为a个监测点得到的实测应变分量，{ε
d
}为d个预测应变分量，则全场应变动力响应表示为其中，为nxN的矩阵，{ε
a
}＝[φ
εa
]{q}，{q}为Nx1列向量，{q}＝([φ
εa
]
T
[φ
εa
])
‑1[φ
εa
]
T
{ε
a
}＝[φ
εa
]
g
{ε
a
}；则根据实测应变分量得到全场应变动力响应{ε
n
}＝[φ
ε
][φ
εa
]
g
{ε
a
}＝[T]{ε
a
}。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度，包括：第i点应变的预测置信度为其中，N
t
为选取的所有时间点，为第i点预测应变响应分量，ε
i
为第i点实测应变响应分量。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生成所述待测海工结构内的残余应力场，包括：构建所述待测海工结构内的应力场为：σ(t)＝λσ
E<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宏涛，张军，张国杰，殷晓宇，
申请(专利权)人：青岛天时智能航空科技有限公司，
类型：发明
国别省市：