一种基于频率变化的结构损伤程度评估方法技术

本发明专利技术提出一种基于频率变化的结构损伤程度评估方法，在已知损伤位置时可以利用结构实测频率的变化来评估损伤的严重程度。该方法对损伤单元设立损伤程度系数，基于基准有限元模型和损伤结构有限的低阶实测模态频率，利用结构特征值建立了方程组，通过迭代求解，可以准确求解该损伤程度系数。本发明专利技术利用损伤前后的频率信息的差异进行损伤程度评估，不需要结构的振型信息和高阶的模态信息。本发明专利技术仅利用结构损伤前后的有限的低阶频率信息，就可以进行结构的损伤程度评估。该方法适用于单损伤、多种损伤工况，能够准确评估结构的损伤程度，具有一定的实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于频率变化的结构损伤程度评估新方法，在已知损伤位置时可 以利用结构实测频率的变化来评估损伤的严重程度。
技术介绍
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。为确保人员的生命安 全、减少财产损失，唯一方法是尽早诊断出结构物的结构损伤，并对损伤的程度进行评估， 以便为及时的修复加固提供科学依据和技术支持。对于如构件断裂的损伤，目测能够判定 损伤。然而，对于材料老化造成的损伤、损伤在不可靠近的区域或者被油漆、锈以及海洋生 物覆盖着是很难利用目测检测损伤的，所以利用目测进行无损检测是不可靠的。其它无损 检测技术，如X光检测、超声检测、工业CT等方法，都属于结构局部损伤检测方法。这类技 术要求损伤的大致区域必须已知的情况下才能使用，而且必须位于测试仪器可及的地方， 需要专业的技术人员对检测结果分析，费时费力。目前基于结构动力特性变化的结构损伤 检测方法正受到重视。众所周知，任何结构都可以看作由刚度、质量、阻尼矩阵组成的动力 学系统，结构一旦出现损伤，结构的特性参数随之发生改变，从而导致系统的模态参数(固 有频率、阻尼和振型等)发生变化，所以结构的模态参数的改变可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。利用损伤发生前后结构模态参数的变化来诊断结构 损伤的方法，其优点是可将环境荷载作为结构的振动激励源，损伤检测的过程不影响结构 的正常使用，能方便地完成结构损伤的在线检测和评估。结构损伤检测主要包括四个层次(1)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，结构损伤程度评估的研究相对较少。而且这些方 法在实际运用于大型结构存在一定的局限性，主要表现在以下几个方面(1) 一些方法进行损伤检测时需要完备或高阶的模态信息实际测试得到的结构 模态参数是不完备的，模态不完备包含量测自由度不完备和量测模态阶数不完备。前者是 由于传感器数量的限制和某些自由度信息(如转动自由度)难以量测造成的。而后者是由 于激振荷载的频率范围和识别技术等方面的原因造成的，无法得到高阶模态信息。(2) 一些方法需要质量归一化的阵型信息对实际的大型结构进行振动测试时， 人工激励是很困难的。因此常利用环境荷载(如风、波浪)进行激励来进行振动测试，此时 激励信息是不知道的；在仅仅知道输出(振动响应)条件下，模态参数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。
技术实现思路
本专利技术为解决现有结构损伤程度评估技术需要振型信息、需要高阶模态的的问 题，提出，该方法不需要振型信息，仅利用结构 损伤前后的有限的低阶频率信息即可进行损伤程度的准确评估。 即为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案予以实现1、，其特征在于，包括如下步骤A、建立基准有限元模型；B、识别损伤结构模态频率<(/ = l,...，m)；C、损伤程度评估Cl、利用基准有限元模型和损伤结构的模态频率<(/ = 1,...,m)，构建m个方程，^-ω, - ωX^(O1)rKi Φ;η=1(Oi其中K为基准有限元模型的总体刚度矩阵；和α η分别为第η个损伤单元的单 元刚度矩阵和损伤程度；Nd为损伤单元的个数；Oi和0丨分别为基准有限元模型和损伤结 构的第i阶振型；ω i和<分别为基准有限元模型和损伤结构的第i阶频率；上标T代表矩 阵或向量的转置；*2 2定义 ，ν 广‘ 、τ ,和夂=0' ~ω',则上式可以写为矩阵形式 =(Φ,)ΓΚΦ； (Oi)rK, Φ；cofCa = b ；C2、迭代求解损伤结构完备的振型信息Φ；"；第1步迭代初始赋值。k = 0，假设损伤程度为0，即a (°) = 0，Φ*(0) = Φ，上标 “O”代表迭代初值；第2 步迭代开始，k = k+Ι。由 a = (CtC)^CTb 计算 a (k)；Nd第3步由K*=K +J> K/n和公式计算*⑷.n=li ajI 丄/ ,第4步设定迭代终止条件。如果maX{| a (k)-a (η) |} ( tol成立，则迭代停止， 其中tol为预先设定的容许误差(如0. 001)；否则返回第2步继续；C3、通过最小二乘法解出a = (CtC) _1CTba Ji = 1，…，Nd)即代表了相应单元的损伤程度。进一步地，所述B步骤中包括如下步骤Bi、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；B2、从所述专用存储器中读取存储的结构动力响应数据，利用模态参数识别技术 识别其有限的低阶模态频率作为损伤结构模态频率< (i =ο本专利技术在已知损伤位置时可以利用结构实测频率的变化来评估损伤的严重程度。4该方法对损伤单元设立损伤程度系数，基于基准有限元模型和损伤结构有限的低阶实测模 态频率，利用结构特征值建立了方程组，通过迭代求解，可以准确求解该损伤程度系数。与 现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于(1)本专利技术不需要结构的振型信息，避开了 实测振型完备性、质量归一化以及识别精度较低的缺点；(2)本专利技术仅利用损伤前后有限 的低阶频率信息进行损伤程度评估，这是非常方便的。一方面，目前振型的识别精度低于频 率的识别精度，这样可以把模态参数识别误差对损伤程度评估的影响降至最低；另一方面， 频率反映了结构的整体状况，可以在结构的任意部位(当然以方便为准)布置少量(甚至 一个)传感器进行振动测试，然后识别其频率，可以有效地避开水下布置传感器或结构内 部不宜达到的位置布置传感器造成的不便。本专利技术适用于单损伤、多种损伤工况，能够准确 评估结构的损伤程度，具有一定的实际应用价值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的实施海洋平台结构有限元模型图；图2为本专利技术的实施海洋平台结构的损伤工况示意图；图3为本专利技术的实施海洋平台结构的损伤程度评估效果(工况1)；图4为本专利技术的实施海洋平台结构的损伤程度评估效果(工况2)；图5为本专利技术的实施海洋平台结构的损伤程度评估效果(工况3)；图6为本专利技术的实施海洋平台结构的损伤程度评估效果(工况4)；图7为本专利技术的实施海洋平台结构的损伤程度评估效果(工况5)；图8为本专利技术的实施海洋平台结构的损伤程度评估效果(工况6)；具体实施例方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例 中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。一、具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频率变化的结构损伤程度评估方法，其特征在于，包括如下步骤：Ａ、建立基准有限元模型；Ｂ、识别损伤结构模态频率ω↓［ｉ］↑［＊］（ｉ＝１，…，ｍ）；Ｃ、损伤程度评估：Ｃ１、利用基准有限元模型和损伤结构的模态频率ω↓［ｉ］↑［＊］（ｉ＝１，…，ｍ），构建ｍ个方程，即：＊α↓［ｎ］（Φ↓［ｉ］）↑［Ｔ］Ｋ↓［ｌｎ］Φ↓［ｉ］↑［＊］＝（ω↓［ｉ］↑［＊２］－ω↓［ｉ］↑［２］）／ω↓［ｉ］↑［２］（Φ↓［ｉ］）↑［Ｔ］ＫΦ↓［ｉ］↑［＊］其中Ｋ为基准有限元模型的总体刚度矩阵；Ｋ↓［ｌ↓［ｎ］］和α↓［ｎ］分别为第ｎ个损伤单元的单元刚度矩阵和损伤程度；Ｎ↓［ｄ］为损伤单元的个数；Φ↓［ｉ］和Φ↓［ｉ］↑［＊］分别为基准有限元模型和损伤结构的第ｉ阶振型；ω↓［ｉ］和ω↓［ｉ］↑［＊］分别为基准有限元模型和损伤结构的第ｉ阶频率；上标Ｔ代表矩阵或向量的转置；定义Ｃ↓［ｉ］＝（Φ↓［ｉ］）↑［Ｔ］ＫΦ↓［ｉ］↑［＊］、Ｃ↓［ｎ，ｉ］＝（Φ↓［ｉ］）↑［Ｔ］Ｋ↓［ｌ↓［ｎ］］Φ↓［ｉ］↑［＊］和ｂ↓［ｉ］＝（ω↓［ｉ］↑［＊２］－ω↓［ｉ］↑［２］）／ω↓［ｉ］↑［２］，则上式可以写为矩阵形式Ｃα＝ｂ；Ｃ２、迭代求解损伤结构完备的振型信息Φ↓［ｉ］↑［＊］；第１步：迭代初始赋值，ｋ＝０，假设损伤程度为０，即α↑［（０）］＝０，Φ↑［＊（０）］＝Φ，上标“０”代表迭代初值；第２步：迭代开始，ｋ＝ｋ＋１，由α＝（Ｃ↑［Ｔ］Ｃ）↑［－１］Ｃ↑［Ｔ］ｂ计算α↑［（ｋ）］；第３步：由Ｋ↑［＊］＝Ｋ＋＊α↓［ｎ］Ｋ↓［ｌ↓［ｎ］］和公式Ｋ↑［＊］Φ↓［ｉ］↑［＊］＝ω↓［ｉ］↑［＊２］ＭΦ↓［ｉ］↑［＊］计算Φ↓［ｉ］↑［＊（ｋ）］；第４步：设定迭代终止条件，如果ｍａｘ｛｜α↑［（ｋ）］－α↑［（ｋ－１）］｜｝≤ｔｏｌ成立，则迭代停止，其中ｔｏｌ为预先设定的容许误差（如０．００１）；否则返回第２步继续；Ｃ３、通过最小二乘法解出α＝（Ｃ↑［Ｔ］Ｃ）↑［－１］Ｃ↑［Ｔ］ｂα↓［ｉ］（ｉ＝１，…，Ｎ↓［ｄ］）即代表了相应单元的损伤程度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王树青，刘福顺，李华军，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]