CN104280457A - 一种自升式平台损伤识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自升式平台损伤识别方法及装置，属于海洋工程结构检测技术领域。该方法在同样的正弦波激励下，根据待测自升式平台各关键节点的实测加速度曲率曲线偏离加速度曲率基准曲线图的情况，定性判断所述待测自升式平台的损伤位置，操作方便、技术成熟且测量精确度较高。该装置以该方法为依据，不仅能够对自升式平台损伤做出精确的定性识别，自动化程度也较高。

Description

一种自升式平台损伤识别方法及装置

技术领域

本发明涉及海洋工程结构检测技术领域，特别涉及一种自升式平台损伤识别方法及装置。

背景技术

随着海上油气资源的不断开发，作为海上生产作业和生活基础设施的自升式平台数量近年来成倍增加。与陆地结构相比，自升式平台长期服役在恶劣的海洋环境中，同时，受到海上风、浪、流等荷载的持续作用，再加上环境腐蚀和材料老化的共同作用，其抗力衰减比较明显，出现损伤的几率也逐年增大，一旦发生事故损坏，不仅会造成重大的经济损失与人员伤亡，还将可能造成严重的环境污染和社会政治影响。因此，及时发现自升式平台在使用期间存在的损伤，对预防事故损坏有着极其重要的现实意义。

现有技术中，自升式平台的损伤检测方法大多采用肉眼观察、磁粉、超声波、交流电场和X射线等方法进行定期检测，这些方法不仅检测范围小，而且工作效率低。

例如，应用磁粉对自升式平台的损伤进行检测时，需要再被检区域直接喷撒磁粉，然后将被检区域置于强磁场中，损伤部位由于漏磁场会吸住磁粉，形成可见的磁粉痕迹。这种方法对被检测表面的光滑度要求很高，并且，不能过量使用磁粉，否则，会影响检测效果，检测可靠性完全取决于检测人员的技术和经验。另外，由于自升式平台较大，检测点可能多达上百个，完成一次检测需要耗费大量的人力和物力，在对结构整体损伤情况一无所知的情况下，具有较大的盲目性。

针对上述检测方法存在的不足，曾有一种基于振动特性的损伤识别方法问世，该方法利用完好状态下结构模态作为识别损伤的指纹信息，与损伤结构的模态进行比较，从而判定结构损伤的位置和程度。这种方法操作简便、经济快捷，但是，在检测前需要测得处于完好状态下的结构模态信息，单个构建或小型结构模态识别比较容易，但是，对于自升式平台等大型结构，模态信息识别则非常困难；另外，该方法对损伤敏感的高阶模态识别难度较大，环境噪声对识别结果的影响也较大，容易造成错误的损伤识别结果。因此，这种识别方法在工程实际应用过程中尚处在探索阶段。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种以自升式平台关键节点损伤前后在振动测试时的加速度曲率为基础而对自升式平台损伤进行识别的自升式平台损伤识别方法及装置。

本发明提供的自升式平台损伤识别方法包括以下步骤：

根据对自升式平台基准有限元模型的结构动力响应分析确定固有频率和各关键节点的位置；

对自升式平台基准有限元模型施加正弦波激励，采集所述各关键节点的基准加速度信号；

将所述各关键节点的基准加速度信号换算成加速度曲率，并绘制所述各关键节点的加速度曲率基准曲线图；

在待测自升式平台的各关键节点安装加速度传感器，所述加速度传感器具有防水功能；

对待测自升式平台施加所述正弦波激励，采集所述各关键节点的实测加速度信号；

将所述各关键节点的实测加速度信号换算成实测加速度曲率，并绘制所述各关键结点的实测加速度曲率曲线图；

根据所述实测加速度曲率曲线图偏离所述加速度曲率基准曲线图的情况定性判断所述待测自升式平台的损伤位置。

作为优选，所述加速度传感器的最低工作频率低于所述自升式平台的一阶固有频率。

作为优选，所述关键节点远离在所述正弦波激励下振型变换处。

作为优选，所述加速度曲率的计算方法是：

$\frac{{\∂}^2\stackrel{\·\·}{Y}(x,t)}{{\∂x}^2}=\frac{a_{i-1}+a_{i+1}-{2a}_i}{{\mathrm{\Δ}}^2}$

其中，

i，第i个关键节点，

a_i，同一时刻i个关键节点的加速度值，

Δ，相邻两个关键节之间的距离。

作为优选，所述加速度传感器远离电机、动力电缆和其他电磁设备。

本发明提供的自升式平台损伤识别装置包括自升式平台基准有限元模型、若干个加速度传感器、正弦波输出振源，数据采集模块、数据运算模块、数据拟合模块和判断模块，

所述自升式平台基准有限元模型用于根据对其结构动力响应分析确定固有频率、各关键节点的位置，并作为绘制加速度曲率基准曲线的基础；

所述若干个加速度传感器装设至待测自升式平台的若干个关键节点，用于测量所述若干各关键节点处的加速度，所述若干个加速度传感器具有防水功能；

所述正弦波输出振源用于对自升式平台基准有限元模型或者待测自升式平台施加正弦波激励；

所述数据采集模块用于采集由所述各关键节点的加速度数据；

所述数据运算模块用于将所述加速度数据换算成各关键节点的加速度曲率；

所述数据拟合模块根据所述加速度曲率拟合得到各关键节点的加速度曲率曲线图；

所述判断模块对比从所述待测自升式平台得到的实测加速度曲率曲线图和从所述自升式平台基准有限元模型得到的加速度曲率基准曲线图，并所述实测加速度曲率曲线图偏离所述加速度曲率基准曲线图的情况定性判断所述待测自升式平台的损伤位置。

作为优选，所述加速度传感器的最低工作频率低于所述自升式平台的一阶固有频率。

作为优选，所述关键节点远离在所述正弦波激励下振型变换处。

作为优选，所述数据运算模块将所述加速度数据换算成各关键节点的加速度曲率的方法是：

$\frac{{\∂}^2\stackrel{\·\·}{Y}(x,t)}{{\∂x}^2}=\frac{a_{i-1}+a_{i+1}-{2a}_i}{{\mathrm{\Δ}}^2}$

其中，

i，第i个关键节点，

a_i，同一时刻i个关键节点的加速度值，

Δ，相邻两个关键节之间的距离。

作为优选，所述加速度传感器远离电机、动力电缆和其他电磁设备。

本发明提供的自升式平台损伤识别方法首先对自升式平台基准有限元施加正弦波激励，绘制各关键节点加速度曲率基准曲线；在同样的正弦波激励下，根据待测自升式平台各关键节点的实测加速度曲率曲线偏离加速度曲率基准曲线图的情况，定性判断所述待测自升式平台的损伤位置。应用该方法时，各关键节点的加速度信号数据只需要选用适合的加速度传感器即可测量，由于加速度传感器是精密仪器，操作方便、技术成熟且测量精确度较高。由于加速度传感器布置在自升式平台的各关键节点，与现有的应用磁粉识别自升式平台损伤的方法相比，本发明提供的自升式平台损伤识别方法即使是在对自升式平台的结构整体损伤情况一无所知的情况下，也能够对其损伤进行有效识别，避免了盲目性的检测；与现有的基于振动特性的损伤识别方法相比，本发明提供的自升式平台损伤识别方法的加速度传感器是分别布置在自升式平台的各关键节点而不是以自升式平台整体结构模态作为识别损伤的指纹信息，因此，即使待测自升式平台的构型较大，也不影响对其损伤的识别。

应用本发明提供的自升式平台损伤识别装置时，对自升式平台各关键节点加速度的测量由加速度传感器自动实现，对各关键节点加速度的采集由数据采集模块自动实现，将各关键节点加速度转换为加速度曲率由数据运算模块自动实现，将各关键节点加速度曲率拟合成加速度曲率基准曲线由数据拟合模块自动实现，定性判断待测自升式平台的损伤位置由判断模块自动实现，因此，本发明提供的自升式平台识别装置不仅能够对自升式平台损伤位置做出精确的定性识别，自动化程度也较高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自升式平台损伤识别方法流程图；

图2为本发明实施例提供的自升式平台损伤识别装置的信号流向示意图；

图3为根据本发明实施例提供的测量及换算结果拟合得到的加速度曲率基准曲线图及实测加速度曲率曲线图，其中图例为菱形实心块的表示加速度曲率基准曲线，图例为三角形实心块的表示实测加速度曲率曲线。

具体实施方式

为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

参见附图1，本发明提供的自升式平台损伤识别方法包括以下步骤：

根据对自升式平台基准有限元模型的结构动力响应分析确定固有频率和各关键节点的位置；

对自升式平台基准有限元模型施加正弦波激励，采集各关键节点的基准加速度信号；

将各关键节点的基准加速度信号换算成加速度曲率，并绘制各关键节点的加速度曲率基准曲线图；

在待测自升式平台的各关键节点安装加速度传感器，加速度传感器具有防水功能；

对待测自升式平台施加正弦波激励，采集各关键节点的实测加速度信号；

将各关键节点的实测加速度信号换算成实测加速度曲率，并绘制各关键结点的实测加速度曲率曲线图；

根据实测加速度曲率曲线图偏离加速度曲率基准曲线图的情况定性判断待测自升式平台的损伤位置。

本发明提供的自升式平台损伤识别方法首先对自升式平台基准有限元施加正弦波激励，绘制各关键节点加速度曲率基准曲线；在同样的正弦波激励下，根据待测自升式平台各关键节点的实测加速度曲率曲线偏离加速度曲率基准曲线图的情况，定性判断待测自升式平台的损伤位置。应用该方法时，各关键节点的加速度信号数据只需要选用适合的加速度传感器即可测量，由于加速度传感器是精密仪器，操作方便、技术成熟且测量精确度较高。由于加速度传感器布置在自升式平台的各关键节点，与现有的应用磁粉识别自升式平台损伤的方法相比，本发明提供的自升式平台损伤识别方法即使是在对自升式平台的结构整体损伤情况一无所知的情况下，也能够对其损伤进行有效识别，避免了盲目性的检测；与现有的基于振动特性的损伤识别方法相比，本发明提供的自升式平台损伤识别方法的加速度传感器是分别布置在自升式平台的各关键节点而不是以自升式平台整体结构模态作为识别损伤的指纹信息，因此，即使待测自升式平台的构型较大，也不影响对其损伤的识别。

其中，加速度传感器的最低工作频率低于自升式平台的一阶固有频率，从而避免加速度传感器与自升式平台产生共振，要达到这一效果，只需要加速度传感器的工作频率远离自升式平台的固有频率即可，本实施例选用的加速度传感器的最低工作频率低于自升式平台的一阶固有频率即可保证该加速度传感器处于其最低工作频率时，不仅其工作频率低于自升式平台的一阶固有频率，还离该自升式平台的其他阶次固有频率较远，从而保证加速度传感器能够正常工作。

其中，关键节点远离在正弦波激励下振型变换处，这是由于在正弦波激励下振型变换处正弦波的振幅接近于0，即使各加速度传感器能够测得相应数据，由于该数据的测量值太小，造成的系统误差较大。

其中，加速度曲率的计算方法是：

$\frac{{\∂}^2\stackrel{\·\·}{Y}(x,t)}{{\∂x}^2}=\frac{a_{i-1}+a_{i+1}-{2a}_i}{{\mathrm{\Δ}}^2}$

其中，

i，第i个关键节点，

a_i，同一时刻i个关键节点的加速度值，

Δ，相邻两个关键节之间的距离。

该计算方法是基于以下原理得到的：以均质等截面欧拉梁为研究对象，忽略剪切变形、转动惯性和轴向力的影响，运用结构动力学、等式变换、变量分离和函数求导等方法可以求出单自由度体系无阻尼自由振动方程及其运动加速度方程：

式中：ω、A、φ分别为梁振动的圆频率、振幅和相位。

由此可知，梁自由振动时任一时刻各质点的加速度值等于该时刻梁的形状乘以梁振动频率平方的相反数。

结合材料力学中结构曲率与形状函数的二阶导数关系以及纯弯曲梁结构的弯曲变形与力学性能参数的基本关系，可以求得任一时刻加速度值的二阶导数，即加速度曲率方程：

$\frac{{\∂}^2\stackrel{\·\·}{Y}(x,t)}{{\∂x}^2}={-\mathrm{\ω}}^2\frac{M(x,t)}{\mathrm{EI}(x,t)}$

由于结构频率只对杆件整体刚度敏感，假设忽略局部损伤对结构频率和质量的影响，由此可知，在弯矩不变的情况下，如果结构出现损伤，局部刚度就会降低，加速度曲率必随之偏离原位置。

由于结构自由度是无限的，因此无法利用函数直接得到上述计算公式，一般由中心差分法计算得到上述计算公式。

其中，加速度传感器远离电机、动力电缆和其他电磁设备，从而避免电机、动力电缆和其他电磁设备对加速度传感器测量数据产生的影响。

参见附图2，本发明提供的自升式平台损伤识别装置包括自升式平台基准有限元模型、若干个加速度传感器、正弦波输出振源，数据采集模块、数据运算模块、数据拟合模块和判断模块，

自升式平台基准有限元模型用于根据对其结构动力响应分析确定固有频率、各关键节点的位置，并作为绘制加速度曲率基准曲线的基础；

若干个加速度传感器装设至待测自升式平台的若干个关键节点，用于测量若干各关键节点处的加速度，若干个加速度传感器具有防水功能；

正弦波输出振源用于对自升式平台基准有限元模型或者待测自升式平台施加正弦波激励；

数据采集模块用于采集由各关键节点的加速度数据；

数据运算模块用于将加速度数据换算成各关键节点的加速度曲率；

数据拟合模块根据加速度曲率拟合得到各关键节点的加速度曲率曲线图；

判断模块对比从待测自升式平台得到的实测加速度曲率曲线图和从自升式平台基准有限元模型得到的加速度曲率基准曲线图，并实测加速度曲率曲线图偏离加速度曲率基准曲线图的情况定性判断待测自升式平台的损伤位置。

应用本发明提供的自升式平台损伤识别装置时，对自升式平台各关键节点加速度的测量由加速度传感器自动实现，对各关键节点加速度的采集由数据采集模块自动实现，将各关键节点加速度转换为加速度曲率由数据运算模块自动实现，将各关键节点加速度曲率拟合成加速度曲率基准曲线由数据拟合模块自动实现，定性判断待测自升式平台的损伤位置由判断模块自动实现，因此，本发明提供的自升式平台识别装置不仅能够对自升式平台损伤位置做出精确的定性识别，自动化程度也较高。

其中，加速度传感器的最低工作频率低于自升式平台的一阶固有频率。原因前文已述，此处不再赘述。

其中，关键节点远离在正弦波激励下振型变换处。原因前文已述，此处不再赘述。

其中，数据运算模块将加速度数据换算成各关键节点的加速度曲率的方法是：

$\frac{{\∂}^2\stackrel{\·\·}{Y}(x,t)}{{\∂x}^2}=\frac{a_{i-1}+a_{i+1}-{2a}_i}{{\mathrm{\Δ}}^2}$

其中，

i，第i个关键节点，

a_i，同一时刻i个关键节点的加速度值，

Δ，相邻两个关键节之间的距离。

原因前文已述，此处不再赘述。

其中，加速度传感器远离电机、动力电缆和其他电磁设备。原因前文已述，此处不再赘述。

实施例

2013年9月，在中国石油天然气集团公司海洋工程重点实验室，采用筒型桩腿自升式平台模型进行了多次测试。该模型桩腿总高2320mm，采用Φ114mm×10mm的钢管，甲板为三棱台型，尺寸为1900mm×2000mm，上面装有井架和导轨。实验时，在桩腿一侧从上到下分别布置9个加速度传感器，间距为200mm，分别测试自升式平台在正弦波激励作用下的振动响应，其在6.0s时刻的测量及换算结果如表1所示。通过本发明提出的方法及装置对加速度信号进行分析，成功标定了自升式平台的损伤位置。

表1 本发明实施例一的测量及换算结果

根据表1所示的测量及换算结果拟合得到的加速度曲率基准曲线图及实测加速度曲率曲线图如附图3所示。

根据表1及图3，可知，实测加速度曲率曲线在标号为6的关键节点处开始明显偏离基准加速度曲率曲线，而且在紧随其后的其他节点处也发生了不同程度的变化，因此，可以判断出本发明实施例1的待测自升式平台的损伤应在标号为6的关键节点附近。

根据上述结果，对该自升式平台标号为6的关键结点附近进行检测，成功地找到了该自升式平台的损伤位置。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自升式平台损伤识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据对自升式平台基准有限元模型的结构动力响应分析确定固有频率和各关键节点的位置；

对自升式平台基准有限元模型施加正弦波激励，采集所述各关键节点的基准加速度信号；

将所述各关键节点的基准加速度信号换算成加速度曲率，并绘制所述各关键节点的加速度曲率基准曲线图；

在待测自升式平台的各关键节点安装加速度传感器，所述加速度传感器具有防水功能；

对待测自升式平台施加所述正弦波激励，采集所述各关键节点的实测加速度信号；

将所述各关键节点的实测加速度信号换算成实测加速度曲率，并绘制所述各关键结点的实测加速度曲率曲线图；

根据所述实测加速度曲率曲线图偏离所述加速度曲率基准曲线图的情况定性判断所述待测自升式平台的损伤位置。

2.根据权利要求1所述的自升式平台损伤识别方法，其特征在于，所述加速度传感器的最低工作频率低于所述自升式平台的一阶固有频率。

3.根据权利要求1所述的自升式平台损伤识别方法，其特征在于，所述关键节点远离在所述正弦波激励下振型变换处。

4.根据权利要求1所述的自升式平台损伤识别方法，其特征在于，所述加速度曲率的计算方法是：

$\frac{{\∂}^2\stackrel{..}{Y}(x,t)}{{\∂x}^2}=\frac{a_{i-1}+a_{i+1}-2a_i}{{\mathrm{\Δ}}^2}$

其中，

i，第i个关键节点，

a_i，同一时刻i个关键节点的加速度值，

Δ，相邻两个关键节之间的距离。

5.根据权利要求1所述的自升式平台损伤识别方法，其特征在于，所述加速度传感器远离电机、动力电缆和其他电磁设备。

6.一种自升式平台损伤识别装置，其特征在于，包括自升式平台基准有限元模型、若干个加速度传感器、正弦波输出振源，数据采集模块、数据运算模块、数据拟合模块和判断模块，

所述自升式平台基准有限元模型用于根据对其结构动力响应分析确定固有频率、各关键节点的位置，并作为绘制加速度曲率基准曲线的基础；

所述若干个加速度传感器装设至待测自升式平台的若干个关键节点，用于测量所述若干各关键节点处的加速度，所述若干个加速度传感器具有防水功能；

所述正弦波输出振源用于对自升式平台基准有限元模型或者待测自升式平台施加正弦波激励；

所述数据采集模块用于采集由所述各关键节点的加速度数据；

所述数据运算模块用于将所述加速度数据换算成各关键节点的加速度曲率；

所述数据拟合模块根据所述加速度曲率拟合得到各关键节点的加速度曲率曲线图；

所述判断模块对比从所述待测自升式平台得到的实测加速度曲率曲线图和从所述自升式平台基准有限元模型得到的加速度曲率基准曲线图，并所述实测加速度曲率曲线图偏离所述加速度曲率基准曲线图的情况定性判断所述待测自升式平台的损伤位置。

7.根据权利要求6所述的自升式平台损伤识别装置，其特征在于，所述加速度传感器的最低工作频率低于所述自升式平台的一阶固有频率。

8.根据权利要求6所述的自升式平台损伤识别方法，其特征在于，所述关键节点远离在所述正弦波激励下振型变换处。

9.根据权利要求6所述的自升式平台损伤识别方法，其特征在于，所述数据运算模块将所述加速度数据换算成各关键节点的加速度曲率的方法是：

$\frac{{\∂}^2\stackrel{..}{Y}(x,t)}{{\∂x}^2}=\frac{a_{i-1}+a_{i+1}-2a_i}{{\mathrm{\Δ}}^2}$

其中，

i，第i个关键节点，

a_i，同一时刻i个关键节点的加速度值，

Δ，相邻两个关键节之间的距离。

10.根据权利要求6所述的自升式平台损伤识别装置，其特征在于，所述加速度传感器远离电机、动力电缆和其他电磁设备。