CN106338372A - 基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统，方法为：在实际作业环境中，对完好海洋平台和损伤的海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵和损伤海洋平台的振型矩阵；对完好海洋平台的振型矩阵和损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差和损伤海洋平台的振型残差；然后构建损伤定位指标；判断海洋平台的损伤位置。本发明的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统，以结构的模态振型作为源数据，通过使用主成分分析方法获得的振型残差构建残差应变能指标，继而判定海洋平台的损伤位置。并且利用少数几组振型数据，即可消除环境因素的干扰，精确完成损伤定位。节省时间和财力。

Description

基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋石油工程领域，具体涉及环境因素干扰条件下的海洋平台损伤定位方法。

背景技术

海洋平台是海洋油气资源开发的基础性设施，由于其体积庞大、结构复杂，并长期工作在恶劣的海洋环境中，极易发生损伤破坏。因此，对海洋平台开展损伤检测极其重要。

当前，海洋工程领域常用的损伤检测方法可分为局部检测与整体动力检测两大类，其中局部检测方法(包含目测、磁粉检测、射线检测、声发射等)发展相对成熟，但难以反映结构整体信息，检测效率低下。相比之下，基于结构振动特性的整体检测方法不仅能够反映结构的整体健康状况，而且能够提供结构的性能演变和退化信息，尤其适合于对海洋平台进行实时监测和寿命评估。该方法的原理是：通过对外界激励下的结构进行振动监测，获取能够反映其物理特性的模态参数，进而反演结构的实时健康信息。

近年来，计算机技术、数据采集技术的快速发展为该方法的丰富和完善提供了更加广阔的空间，有相当多的学者提出了自己的检测方法，并获得了良好的检测结果。然而，这些检测大多在恒定环境下进行的，并没有考虑被检测结构所处的环境因素改变对结构模态参数及损伤检测的影响，这对工作环境复杂的海洋平台来讲，显然是不合理的。为解决这一问题，行业内广泛采用两种方法：

1.建立“损伤指标”与“环境因素”相关性的方法，即通过反复测试环境因素与结构系统的响应，建立二者的对应关系或相关模型，进而将环境因素对应的影响消除。

2.无需测量实时的环境因素变化，仅仅对结构的振动响应进行测量，而后通过一定的方法消除环境因素的影响，典型的为主成分分析(PCA)算法。PCA算法是一种数据分离技术，目前，行业广泛采用对海洋平台进行连续监测的方式，获取海洋平台的振动频率，而后通过PCA方法消除环境因素影响，继而判定损伤是否发生。

以上两种方法均以大数据为基础，在计算机技术高速发展的今天，具有良好的发展前景。然而，其固有缺陷也是显而易见的，即必须获得长期的环境变化与结构响应数据作为检测数据，对海洋平台来讲，高昂的测试成本以及恶劣的海上测试环境使得该方法的应用性大大降低。

因此，现有技术中的缺陷是，对海洋平台损伤的检测中，由于环境因素的干扰，不能获取准确可靠的模态信息，同时，模态信息的获取需要大量的数据采集，浪费人力财力。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统，以结构的模态振型作为源数据，通过使用主成分分析方法获得的振型残差构建残差应变能指标，继而判定海洋平台的损伤位置。并且利用少数几组振型数据，即可消除环境因素的干扰，精确完成损伤定位。节省时间和财力。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，包括：

步骤S1，在实际作业环境中，对未损伤的完好海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵；

步骤S2，对所述完好海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差；

步骤S3，在实际作业环境中，对损伤的海洋平台进行振动测试，得到损伤海洋平台的振型矩阵；

步骤S4，对所述损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到损伤海洋平台的振型残差；

步骤S5，根据所述完好海洋平台的振型残差和所述损伤海洋平台的振型残差，构建损伤定位指标；

步骤S6，根据所述损伤定位指标，判断海洋平台的损伤位置。

本发明的技术方案为：先在实际作业环境中，对未损伤的完好海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵；然后对所述完好海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差；

接着在实际作业环境中，对损伤的海洋平台进行振动测试，得到损伤海洋平台的振型矩阵；然后对所述损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到损伤海洋平台的振型残差；

接着根据所述完好海洋平台的振型残差和所述损伤海洋平台的振型残差，构建损伤定位指标；最后根据所述损伤定位指标，判断海洋平台的损伤位置。

本发明一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，通过使用主成分分析方法对原始振型矩阵进行处理，有效地将环境因素变化对结构振动特性的影响消除，获取可以反映结构健康信息的振型残差，配合使用有效的损伤检测指标，可以准确地判定结构的损伤位置；相比使用传统的振型矩阵，以振型残差为基础的损伤检测算法识别灵敏度更高，定位更加准确可靠；在消除环境因素干扰的过程中，无需建立“损伤指标”与“环境因素”的相关性，即只需要测量结构的振动响应，而无需对当时的环境因素进行测量。同时，只需对完好海洋平台与损伤海洋平台分别进行短期测量，而无需进行长期连续监测，极大地减小了损伤检测的难度，节约了成本。

进一步地，所述步骤S1，包括：

在实际作业环境中，通过传感器测量，获取多组完好海洋平台的结构动力响应数据；

根据所述多组完好海洋平台的结构动力响应数据，通过模态参数识别获取多组海洋平台的振型向量；

根据所述多组振型向量，构成完好海洋平台的振型矩阵。

进一步地，所述步骤S2，包括：

对所述完好海洋平台的振型矩阵进行中心化处理，得到中心化处理后的振型矩阵；

根据所述中心化处理后的振型矩阵，计算得到协方差矩阵；

对所述协方差矩阵进行特征值分解，得到投影矩阵；

根据所述投影矩阵，将所述完好海洋平台的振型矩阵投影到环境因素空间，之后逆投影回原始向量空间，计算前后之间的差值，得到完好海洋平台的振型残差。

进一步地，所述步骤S3，包括：

在实际作业环境中，通过传感器测量，获取多组损伤海洋平台的结构动力响应数据；

根据所述多组损伤海洋平台的结构动力响应数据，通过模态参数识别获取多组海洋平台的振型向量；

根据所述多组振型向量，构成损伤海洋平台的振型矩阵。

进一步地，所述步骤S4，包括：

对所述损伤海洋平台的振型矩阵进行中心化处理，得到中心化处理后的振型矩阵；

根据所述投影矩阵，将所述完好海洋平台的振型矩阵投影到环境因素空间，之后逆投影回原始向量空间，计算前后之间的差值，得到损伤海洋平台的振型残差。

进一步地，所述步骤S5，包括：

将完好海洋平台离散为具有多个单元的有限元模型，并构建海洋平台的系统刚度矩阵和单元刚度矩阵；

根据所述单元刚度矩阵，结合所述完好海洋平台的振型残差和所述损伤海洋平台的振型残差，构建所述完好海洋平台和所述损伤海洋平台的系统残差应变能；

根据所述完好海洋平台和所述损伤海洋平台的系统残差应变能和单元残差应变能，获得单元损伤因子；

根据所述单元损伤因子，建立损伤定位指标。

进一步地，所述步骤S6，包括：

设定损伤阈值；

将所述损伤定位指标与所述损伤阈值进行比较，判断海洋平台的损伤位置：

当所述损伤定位指标不小于所述损伤阈值，判定所述损伤定位指标对应的单元发生损伤；

否则，当所述损伤定位指标小于所述损伤阈值，判定所述损伤定位指标对应的单元未发生损伤。

第二方面，本发明提供一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统，包括：

完好海洋平台的振型矩阵获取模块，用于在实际作业环境中，对未损伤的完好海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵；

完好海洋平台的残差获取模块，用于对所述完好海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差；

损伤海洋平台的振型矩阵获取模块，用于在实际作业环境中，对损伤的海洋平台进行振动测试，得到损伤海洋平台的振型矩阵；

损伤海洋平台的残差获取模块，用于对所述损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到损伤海洋平台的振型残差；

损伤定位指标生成模块，用于根据所述完好海洋平台的振型残差和所述损伤海洋平台的振型残差，构建损伤定位指标；

损伤位置判断模块，用于根据所述损伤定位指标，判断海洋平台的损伤位置。

本发明的技术方案为：先通过完好海洋平台的振型矩阵获取模块，在实际作业环境中，对未损伤的完好海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵；然后通过完好海洋平台的残差获取模块，对所述完好海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差；

接着通过损伤海洋平台的振型矩阵获取模块，在实际作业环境中，对损伤的海洋平台进行振动测试，得到损伤海洋平台的振型矩阵；然后通过损伤海洋平台的残差获取模块，用于对所述损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到损伤海洋平台的振型残差；

接着通过损伤定位指标生成模块，根据所述完好海洋平台的振型残差和所述损伤海洋平台的振型残差，构建损伤定位指标；最后通过损伤位置判断模块，用于根据所述损伤定位指标，判断海洋平台的损伤位置。

本发明一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统，通过使用主成分分析方法对原始振型矩阵进行处理，有效地将环境因素变化对结构振动特性的影响消除，获取可以反映结构健康信息的振型残差，配合使用有效的损伤检测指标，可以准确地判定结构的损伤位置；相比使用传统的振型矩阵，以振型残差为基础的损伤检测算法识别灵敏度更高，定位更加准确可靠；在消除环境因素干扰的过程中，无需建立“损伤指标”与“环境因素”的相关性，即只需要测量结构的振动响应，而无需对当时的环境因素进行测量。同时，只需对完好海洋平台与损伤海洋平台分别进行短期测量，而无需进行长期连续监测，极大地减小了损伤检测的难度，节约了成本。

进一步地，所述完好海洋平台的振型矩阵获取模块，包括完好海洋平台的振型矩阵获取子模块，用于：

在实际作业环境中，通过传感器测量，获取多组完好海洋平台的结构动力响应数据；

根据所述多组完好海洋平台的结构动力响应数据，通过模态参数识别获取多组海洋平台的振型向量；

根据所述多组振型向量，构成完好海洋平台的振型矩阵。

进一步地，所述完好海洋平台的残差获取模块，包括完好海洋平台的残差获取子模块，用于：

对所述完好海洋平台的振型矩阵进行中心化处理，得到中心化处理后的振型矩阵；

根据所述中心化处理后的振型矩阵，计算得到协方差矩阵；

对所述协方差矩阵进行特征值分解，得到投影矩阵；

根据所述投影矩阵，将所述完好海洋平台的振型矩阵投影到环境因素空间，之后逆投影回原始向量空间，计算前后之间的差值，得到完好海洋平台的振型残差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1示出了本发明第一实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法的流程图；

图2示出了本发明第二实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统的示意图；

图3示出了本发明第三实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统中海洋平台结构有限元模型及损伤工况示意图；

图4示出了本发明第三实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统中无温度变化干扰条件下，模态应变能法的海洋平台结构损伤定位效果图；

图5示出了本发明第三实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统中温差为30℃干扰下，模态应变能法的海洋平台结构损伤定位效果图；

图6示出了本发明第三实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统中随机温度变化干扰条件下，海洋平台结构损伤定位第一效果图；

图7示出了本发明第三实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统中随机温度变化干扰条件下，海洋平台结构损伤定位第二效果图；

图8示出了本发明第三实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统中随机温度变化干扰条件下，海洋平台结构损伤定位第三效果图；

图9示出了本发明第三实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统中随机温度变化干扰条件下，海洋平台结构损伤定位第四效果图；

图10示出了本发明第三实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统中随机温度变化干扰条件下，海洋平台结构损伤定位第五效果图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

实施例一提供了一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，图1示出了本发明第一实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法的流程图；如图1所示实施例一提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，包括：

步骤S1，在实际作业环境中，对未损伤的完好海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵；

步骤S2，对完好海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差；

步骤S3，在实际作业环境中，对损伤的海洋平台进行振动测试，得到损伤海洋平台的振型矩阵；

步骤S4，对损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到损伤海洋平台的振型残差；

步骤S5，根据完好海洋平台的振型残差和损伤海洋平台的振型残差，构建损伤定位指标；

步骤S6，根据损伤定位指标，判断海洋平台的损伤位置。

本发明的技术方案为：先在实际作业环境中，对未损伤的完好海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵；然后对完好海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差；接着在实际作业环境中，对损伤的海洋平台进行振动测试，得到损伤海洋平台的振型矩阵；然后对损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到损伤海洋平台的振型残差；接着根据完好海洋平台的振型残差和损伤海洋平台的振型残差，构建损伤定位指标；最后根据损伤定位指标，判断海洋平台的损伤位置。

本发明一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，通过使用主成分分析方法对原始振型矩阵进行处理，有效地将环境因素变化对结构振动特性的影响消除，获取可以反映结构健康信息的振型残差，配合使用有效的损伤检测指标，可以准确地判定结构的损伤位置；相比使用传统的振型矩阵，以振型残差为基础的损伤检测算法识别灵敏度更高，定位更加准确可靠；在消除环境因素干扰的过程中，无需建立“损伤指标”与“环境因素”的相关性，即只需要测量结构的振动响应，而无需对当时的环境因素进行测量。同时，只需对完好海洋平台与损伤海洋平台分别进行短期测量，而无需进行长期连续监测，极大地减小了损伤检测的难度，节约了成本。

具体地，步骤S1，包括：

在实际作业环境中，通过传感器测量，获取多组完好海洋平台的结构动力响应数据；

根据多组完好海洋平台的结构动力响应数据，通过模态参数识别获取多组海洋平台的振型向量；

根据多组振型向量，构成完好海洋平台的振型矩阵。

具体地，步骤S2，包括：

对完好海洋平台的振型矩阵进行中心化处理，得到中心化处理后的振型矩阵；

根据中心化处理后的振型矩阵，计算得到协方差矩阵；

对协方差矩阵进行特征值分解，得到投影矩阵；

根据投影矩阵，将完好海洋平台的振型矩阵投影到环境因素空间，之后逆投影回原始向量空间，计算前后之间的差值，得到完好海洋平台的振型残差。

具体地，步骤S3，包括：

在实际作业环境中，通过传感器测量，获取多组损伤海洋平台的结构动力响应数据；

根据多组损伤海洋平台的结构动力响应数据，通过模态参数识别获取多组海洋平台的振型向量；

根据多组振型向量，构成损伤海洋平台的振型矩阵。

具体地，步骤S4，包括：

对完好海洋平台的振型矩阵进行中心化处理，得到中心化处理后的振型矩阵；

根据投影矩阵，将完好海洋平台的振型矩阵投影到环境因素空间，之后逆投影回原始向量空间，计算前后之间的差值，得到完好海洋平台的振型残差。

具体地，步骤S5，包括：

将完好海洋平台离散为具有多个单元的有限元模型，并构建海洋平台的系统刚度矩阵和单元刚度矩阵；

根据所述单元刚度矩阵，结合所述完好海洋平台的振型残差和所述损伤海洋平台的振型残差，构建所述完好海洋平台和所述损伤海洋平台的系统残差应变能；

根据完好海洋平台和损伤海洋平台的系统残差应变能和单元残差应变能，获得单元损伤因子；

根据单元损伤因子，建立损伤定位指标。

具体地，步骤S6，包括：

设定损伤阈值；

将损伤定位指标与损伤阈值进行比较，判断海洋平台的损伤位置：

当损伤定位指标不小于损伤阈值，判定损伤定位指标对应的单元发生损伤；

否则，当损伤定位指标小于损伤阈值，判定损伤定位指标对应的单元未发生损伤。

上述方法的具体推导过程为：

利用模态参数识别方法获取海洋平台的前p阶模态振型，其中第r₁次测试获得的第j阶振型向量以表示。若海洋平台的有限元模型具有n个自由度，则假设总共进行了m₁次振动测试，将各次测试得到的第j阶振型向量进行组合，构建第j阶振型矩阵

${\mathrm{\Φ}}_j^{\left(m_1\right)}=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\φ}}_{j,1}& {\mathrm{\φ}}_{j,2}& ...& {\mathrm{\φ}}_{j,r_1}& ...& {\mathrm{\φ}}_{j,m_1}\end{array}\right],j=1,2,...,p---\left(1\right)$

对振型矩阵中心化处理，即保证调整后的振型矩阵中各行的均值为零，处理方法如下：

${\mathrm{\ψ}}_{{\mathrm{ir}}_1}={\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{ir}}_1}-{\mathrm{\μ}}_i---\left(2\right)$

其中μ_i为振型矩阵的第i行的均值，分别为矩阵与在位置(i,j)上的一个元素。

计算中心化处理后的振型矩阵的协方差矩阵Ω：

$\mathrm{\Ω}=\frac{{\mathrm{\Ψ}}_j^{\left(m_1\right)}{\left({\mathrm{\Ψ}}_j^{\left(m_1\right)}\right)}^T}{m_1-1},\mathrm{\Ω}\⋐R^{n\×n}---\left(3\right)$

其中，上标T代表矩阵的转置，即行列互换；

对协方差矩阵Ω进行特征值分解，获取投影矩阵T：

ΛU＝ΩU (4)

其中对角矩阵为特征值矩阵，其对角线元素λ_k表征了第k列向量的能量值大小。可将向量的特征值由大到小排列：

λ₁≥λ₂≥...≥λ_k≥λ_k+1≥...≥λ_n→0 (5)

为相应的特征向量矩阵，可由对应于不同特征值λ_k的特征向量u_k组合而成：

U＝{u₁,u₂,...,u_k,u_k+1,...u_n} (6)

在实际作业环境下，当海洋平台未发生损伤或损伤程度在短期内不发生任何变化时，环境因素是导致振型矩阵发生变化的决定性因素，而其他因素对振型矩阵的影响非常小，可以忽略。定义δ为前k个特征值λ_k对应的累计能量贡献率，若其满足：

$\mathrm{\δ}=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i\≥\mathrm{\ϵ}---\left(7\right)$

其中ε为能量阈值，在实际操作过程中通常取85％以上。则表明：通过前k个特征值对应的特征向量u_k，可以构成连接原始向量空间与环境因素空间的投影矩阵T：

$T=\{u_1,u_2,...,u_k\},T\⋐R^{n\×k}---\left(8\right)$

可通过投影矩阵T将振型矩阵投影到环境因素空间H：

$H={\left({\mathrm{\Ψ}}_j^{\left(m_1\right)}\right)}^{T}T---\left(9\right)$

利用逆变换将振型矩阵由环境因素空间H投影回原始空间：

${\widehat{\mathrm{\Ψ}}}_j^{\left(m_1\right)}={\left({\mathrm{HT}}^T\right)}^T---\left(10\right)$

表征了由于环境因素改变而对振型矩阵产生的影响，进行式(11)的变换，即可获得消除环境因素影响的完好海洋平台振型残差

$\begin{array}{cc}{E}_j^{\left(m_1\right)}={\mathrm{\Ψ}}_j^{\left(m_1\right)}-{\widehat{\mathrm{\Ψ}}}_j^{\left(m_1\right)}& (E_j^{\left(m_1\right)}\⋐R^{n\×m_1})---\end{array}\left(11\right)$

假设对损伤平台进行了m₂次振动测试，参照得到完好海洋平台振型矩阵相似的步骤，构建损伤海洋平台的振型矩阵为：

${\left({\mathrm{\Φ}}_j^{*}\right)}^{\left(m_2\right)}=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\φ}}_{j,1}^{*}& {\mathrm{\φ}}_{j,2}^{*}& ...& {\mathrm{\φ}}_{j,r_2}^{*}& ...& {\mathrm{\φ}}_{j,m_2}^{*}\end{array}\right],j=1,2,...,p---\left(12\right)$

其中，上标“*”为损伤结构的标识。

采用与式(2)-(11)相似的流程，获得消除环境因素干扰后的损伤海洋平台的振型残差

${\left(E_j^{*}\right)}^{\left(m_2\right)}={\left({\mathrm{\Ψ}}_j^{*}\right)}^{\left(m_2\right)}-{\left({\widehat{\mathrm{\Ψ}}}_j^{*}\right)}^{\left(m_2\right)},({\left(E_j^{*}\right)}^{\left(m_2\right)}\⋐R^{n\×m_2})---\left(13\right)$

同理，为损伤海洋平台的振型矩阵中心化处理后的振型矩阵；为损伤海洋平台振型矩阵中的环境因素影响。

分别构建完好海洋平台和损伤海洋平台的系统残差应变能和单元残差应变能：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_{j,r_1}={\left(E_{j,r_1}\right)}^T{\mathrm{KE}}_{j,r_1}& {\mathrm{\Δ}}_{j,r_1}^s={\left(E_{j,r_1}\right)}^T{K}_s{E}_{j,r_1}\\ {\mathrm{\Δ}}_{j,r_1}^{*}={\left(E_{j,r_2}^{*}\right)}^T{\mathrm{KE}}_{j,r_2}^{*}& {\mathrm{\Δ}}_{j,r_2}^{*s}={\left(E_{j,r_2}^{*}\right)}^T{K}_s{E}_{j,r_2}^{*}\end{array}---\left(14\right)$

其中：分别为完好与损伤海洋平台振型残差的第r₁、r₂列列向量，也即为对应于第r₁、r₂次测试获得的第j阶振型向量的振型残差；K、K_s分别为海洋平台系统及第s个单元的单元刚度矩阵；相应地，为通过振型残差构建的完好海洋平台的系统残差应变能，的物理意义类之。

利用残差应变能，可构建第s个单元的损伤因子β_s：

${\mathrm{\β}}_s=\frac{1}{m_1{m}_{2}p}\underset{j=1}{\overset{p}{\Σ}}\underset{r_2=1}{\overset{m_2}{\Σ}}\underset{r_1=1}{\overset{m_1}{\Σ}}\frac{({\mathrm{\Δ}}_{j,r_2}^{*s}+{\mathrm{\Δ}}_{j,r_2}^{*}){\mathrm{\Δ}}_{j,r_1}}{({\mathrm{\Δ}}_{j,r_1}^s+{\mathrm{\Δ}}_{j,r_1}){\mathrm{\Δ}}_{j,r_2}^{*}},s=1,2,...,Ne---\left(15\right)$

可将的表达式代入得：

${\mathrm{\β}}_s=\frac{1}{m_1{m}_{2}p}\underset{j=1}{\overset{p}{\Σ}}\underset{r_2=1}{\overset{m_2}{\Σ}}\underset{r_1=1}{\overset{m_1}{\Σ}}\frac{({\left(E_{j,r_2}^{*}\right)}^T{K}_s{E}_{j,r_2}^{*}+{\left(E_{j,r_2}^{*}\right)}^T{\mathrm{KE}}_{j,r_2}^{*}){\left(E_{j,r_1}\right)}^T{\mathrm{KE}}_{j,r_1}}{({\left(E_{j,r_1}\right)}^T{K}_s{E}_{j,r_1}+{\left(E_{j,r_1}\right)}^T{\mathrm{KE}}_{j,r_1}){\left(E_{j,r_2}^{*}\right)}^T{\mathrm{KE}}_{j,r_2}^{*}}---\left(16\right)$

假设可对β_s进行式(17)形式的标准化处理：

$z_s=\frac{{\mathrm{\β}}_s-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}---\left(17\right)$

将z_s作为损伤定位指标，设定损伤阈值η＝2，当z_s≥η时，查阅正态分布表可知，单元s存在95.44％以上的可能性发生损伤，可通过z_s的大小判定海洋平台的损伤位置。

实施例二

图2示出了本发明第二实施例所提供的一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统的示意图；如图2所示，实施例二提供了一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统10，包括：

完好海洋平台的振型矩阵获取模块101，用于在实际作业环境中，对未损伤的完好海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵；

完好海洋平台的残差获取模块102，用于对完好海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差；

损伤海洋平台的振型矩阵获取模块103，用于在实际作业环境中，对损伤的海洋平台进行振动测试，得到损伤海洋平台的振型矩阵；

损伤海洋平台的残差获取模块104，用于对损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到损伤海洋平台的振型残差；

损伤定位指标生成模块105，用于根据完好海洋平台的振型残差和损伤海洋平台的振型残差，构建损伤定位指标；

损伤位置判断模块106，用于根据损伤定位指标，判断海洋平台的损伤位置。

本发明的技术方案为：先通过完好海洋平台的振型矩阵获取模块101，在实际作业环境中，对未损伤的完好海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵；然后通过完好海洋平台的残差获取模块102，对完好海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差；

接着通过损伤海洋平台的振型矩阵获取模块103，在实际作业环境中，对损伤的海洋平台进行振动测试，得到损伤海洋平台的振型矩阵；然后通过损伤海洋平台的残差获取模块104，用于对损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到损伤海洋平台的振型残差；

接着通过损伤定位指标生成模块105，根据完好海洋平台的振型残差和损伤海洋平台的振型残差，构建损伤定位指标；最后通过损伤位置判断模块106，用于根据损伤定位指标，判断海洋平台的损伤位置。

本发明一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统10，通过使用主成分分析方法对原始振型矩阵进行处理，有效地将环境因素变化对结构振动特性的影响消除，获取可以反映结构健康信息的振型残差，配合使用有效的损伤检测指标，可以准确地判定结构的损伤位置；相比使用传统的振型矩阵，以振型残差为基础的损伤检测算法识别灵敏度更高，定位更加准确可靠；在消除环境因素干扰的过程中，无需建立“损伤指标”与“环境因素”的相关性，即只需要测量结构的振动响应，而无需对当时的环境因素进行测量。同时，只需对完好海洋平台与损伤海洋平台分别进行短期测量，而无需进行长期连续监测，极大地减小了损伤检测的难度，节约了成本。

具体地，完好海洋平台的振型矩阵获取模块101，包括完好海洋平台的振型矩阵获取子模块，用于：

在实际作业环境中，通过传感器测量，获取多组完好海洋平台的结构动力响应数据；

根据多组完好海洋平台的结构动力响应数据，通过模态参数识别获取多组海洋平台的振型向量；

根据多组振型向量，构成完好海洋平台的振型矩阵。

具体地，完好海洋平台的残差获取模块101，包括完好海洋平台的残差获取子模块，用于：

对完好海洋平台的振型矩阵进行中心化处理，得到中心化处理后的振型矩阵；

根据中心化处理后的振型矩阵，计算得到协方差矩阵；

对协方差矩阵进行特征值分解，得到投影矩阵；

根据投影矩阵，将完好海洋平台的振型矩阵投影到环境因素空间，之后逆投影回原始向量空间，计算前后之间的差值，得到完好海洋平台的振型残差。

实施例三

实施例三是基于本发明实施例一中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法和实施例二中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统，进行的海洋平台损伤的模拟实验及仿真效果说明。

如图3所示，本实施例模拟研究的海洋平台结构由立柱单元8、立柱单元12、水平面横撑单元49、水平面斜撑单元65、侧壁面斜撑58单元等构件组成，共76个单元。利用MATLAB软件编写有限元程序，通过计算机建立有限元模型，作为完好海洋平台的基准有限元模型。然后，在不同的作业环境下，模拟不同的损伤工况，得出模拟实测的模态振型。本算例模拟了五种损伤工况，包括不同位置的单个构件损伤、两个构件损伤以及不同程度的损伤，损伤位置如图3示。

环境条件变化及结构损伤的模拟：

影响海洋平台振动特性的环境因素主要包括：温度、潮汐、海生物附着、基础冲刷等，本例中重点选取温度因素进行模拟。温度变化通常会引起材料弹性模量的变化，进而对海洋平台的刚度产生影响。同时，当海洋平台发生损伤时，材料的弹性模量同样将发生损失，可将其统一简化为在损伤单元上的均匀削弱。则实际作业环境下，损伤单元对应的节点自由度刚度值可以表示为：

其中：k为参考状态下某个节点自由度的刚度值；α(0≤α≤1)为损伤单元的损伤程度，当单元未发生损伤时，α＝0，而单元完全失效时，α＝1；系数E₀为参考状态下的钢材弹性模量，通常将参考状态的温度取为20℃，相应的钢材弹性模量为2.06×10¹¹Pa；β为钢材的弹性模量随温度的变化系数，取为-1×10⁸Pa/℃。

假设对完好海洋平台与损伤海洋平台的两组检测分别在冬季与夏季进行，且冬、夏两组测量均可获得5组数据，即m₁＝m₂＝5。根据我国海域的具体情况，可假定冬季某日的气温变化范围为[-5 5]℃,日均气温0℃，夏季某日的气温变化范围为[25 35]℃,日均气温30℃。由于单日中多次测试的时刻随机，各次测试时的环境温度也呈现随机变化，可通过正态分布模型进行模拟：冬季温度t₁∈N(0,1.67²)，夏季温度：t₂∈N(30,1.67²)，两组检测的平均温差约为30℃。

对比工况的设置：

为检验本发明方法的损伤定位能力，在说明书中设立本发明方法与模态应变能方法的对比分析工况。模态应变能方法是一种传统的损伤检测方法，对损伤单元s，该方法的检测指标为：

${\mathrm{\β}}_s=\frac{1}{p}\underset{j=1}{\overset{p}{\Σ}}\frac{({\mathrm{\Φ}}_j^{*T}{K}_s{\mathrm{\Φ}}_j^{*}+{\mathrm{\Φ}}_j^{*T}{\mathrm{K\Φ}}_j^{*}){\mathrm{\Φ}}_j^T{\mathrm{K\Φ}}_j}{({{\mathrm{\Φ}}_j}^T{K}_s{\mathrm{\Φ}}_j+{{\mathrm{\Φ}}_j}^T{\mathrm{K\Φ}}_j){\mathrm{\Φ}}_j^{*T}{\mathrm{K\Φ}}_j^{*}}---\left(19\right)$

其中Φ_j与分别为利用模态参数识别方法获得的海洋平台损伤前后的第j阶振型，并未对海洋环境的干扰进行消除。

由上式可知，该方法只需对结构损伤前后分别进行一次检测便可进行损伤定位。因此，在使用模态应变能方法时，可设置海洋平台损伤前后的两次检测温度分别为0℃、30℃，从而与本发明方法中，对温度影响的模拟保持一致。

损伤定位分析：

利用本发明实施例一中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法和实施例二中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统进行损伤定位，各工况说明如下：

其中以立柱单元8、立柱单元12、水平面横撑单元49、水平面斜撑单元65、侧壁面斜撑58单元模拟单元损伤定位分析；

如图4所示，损伤工况一，水平面横撑单元49，单元刚度损失10％，使用前三阶模态。如图4所示，使用传统的模态应变能指标，仅仅可以在无温度变化干扰条件下完成损伤定位，损伤定位指标如图4所示。

如图5所示，使用传统的模态应变指标，仅仅可以在无温度变化干扰条件下完成损伤定位，当损伤前后温度发生30℃变化时，无法得出准确的检测结果，表明本发明实施例一中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法和实施例二中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统可以有效消除温度变化对损伤定位的干扰。

结合图3和图6，损伤工况二，水平面横撑单元49，单元刚度损失10％，使用前三阶模态。用本发明实施例一中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法和实施例二中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统可以准确地进行损伤定位，指出损伤构件为水平面横撑单元49，损伤程度是10％，损伤定位指标如图6。

结合图3和图7，损伤工况三，侧壁面斜撑单元58，单元刚度损失10％，使用前三阶模态。用用本发明实施例一中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法和实施例二中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统可以准确地进行损伤定位，指出损伤构件为水平面横撑单元58，损伤程度是10％，损伤定位指标如图7所示。

结合图3和图8，损伤工况四，立柱单元12，单元刚度损失10％，使用前三阶模态。用用本发明实施例一中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法和实施例二中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统可以通过一定的分析，准确地进行损伤定位，损伤定位指标如图7所示。可由检测效果图直观得出立柱8号与12号单元均可能发生损伤，但由图3可知，8号单元与12号单元为相邻单元，12号单元的损伤极有可能引起8号单元的损伤指标异常，因此可首先确定12号单元发生损伤，损伤程度是10％。

结合图3和图9，损伤工况五，水平面横撑单元49、侧壁面斜撑单元58同时发生损伤，其刚度分别损失20％和10％，使用前三阶模态。用用本发明实施例一中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法和实施例二中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统可以准确地进行损伤定位，指出49、58号单元损伤，水平面横撑单元49的损伤程度是20％，侧壁面斜撑单元58的损伤程度是10％，损伤定位指标如图9所示。

结合图3和图10，损伤工况六，水平面斜撑单元65、立柱单元12同时发生损伤，其刚度分别损失20％和10％，使用前五阶模态。用用本发明实施例一中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法和实施例二中的基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统可以准确地进行损伤定位，指出65、12号单元损伤，水平面斜撑单元65的损伤程度是10％,立柱单元12的损伤程度是20％，损伤定位指标如图10所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

综上，本发明一种基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法及系统，有以下有益效果：

(1)通过使用主成分分析方法对原始振型矩阵进行处理，有效地将环境因素变化对结构振动特性的影响消除，获取可以反映结构健康信息的振型残差，配合使用有效的损伤检测指标，可以准确地判定结构的损伤位置；

(2)相比使用传统的振型矩阵，以振型残差为基础的损伤检测算法识别灵敏度更高，定位更加准确可靠；

(3)在消除环境因素干扰的过程中，无需建立“损伤指标”与“环境因素”的相关性，即只需要测量结构的振动响应，而无需对当时的环境因素进行测量。同时，只需对完好海洋平台与损伤海洋平台分别进行短期测量，而无需进行长期连续监测，极大地减小了损伤检测的难度，节约了成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，其特征在于，包括：

步骤S1，在实际作业环境中，对未损伤的完好海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵；

步骤S2，对所述完好海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差；

步骤S3，在实际作业环境中，对损伤的海洋平台进行振动测试，得到损伤海洋平台的振型矩阵；

步骤S4，对所述损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到损伤海洋平台的振型残差；

步骤S5，根据所述完好海洋平台的振型残差和所述损伤海洋平台的振型残差，构建损伤定位指标；

步骤S6，根据所述损伤定位指标，判断海洋平台的损伤位置。

2.根据权利要求1所述基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，其特征在于，

所述步骤S1，包括：

在实际作业环境中，通过传感器测量，获取多组完好海洋平台的结构动力响应数据；

根据所述多组完好海洋平台的结构动力响应数据，通过模态参数识别获取多组海洋平台的振型向量；

根据所述多组振型向量，构成完好海洋平台的振型矩阵。

3.根据权利要求1所述基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，其特征在于，

所述步骤S2，包括：

对所述完好海洋平台的振型矩阵进行中心化处理，得到中心化处理后的振型矩阵；

根据所述中心化处理后的振型矩阵，计算得到协方差矩阵；

对所述协方差矩阵进行特征值分解，得到投影矩阵；

根据所述投影矩阵，将所述完好海洋平台的振型矩阵投影到环境因素空间，之后逆投影回原始向量空间，计算前后之间的差值，得到完好海洋平台的振型残差。

4.根据权利要求1所述基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，其特征在于，

所述步骤S3，包括：

在实际作业环境中，通过传感器测量，获取多组损伤海洋平台的结构动力响应数据；

根据所述多组损伤海洋平台的结构动力响应数据，通过模态参数识别获取多组海洋平台的振型向量；

根据所述多组振型向量，构成损伤海洋平台的振型矩阵。

5.根据权利要求1或3所述基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，其特征在于，

所述步骤S4，包括：

对所述损伤海洋平台的振型矩阵进行中心化处理，得到中心化处理后的振型矩阵；

根据所述投影矩阵，将所述完好海洋平台的振型矩阵投影到环境因素空间，之后逆投影回原始向量空间，计算前后之间的差值，得到损伤海洋平台的振型残差。

6.根据权利要求1所述基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，其特征在于，

所述步骤S5，包括：

将完好海洋平台离散为具有多个单元的有限元模型，并构建海洋平台的系统刚度矩阵和单元刚度矩阵；

根据所述单元刚度矩阵，结合所述完好海洋平台的振型残差和所述损伤海洋平台的振型残差，构建所述完好海洋平台和所述损伤海洋平台的系统残差应变能；

根据所述完好海洋平台和所述损伤海洋平台的系统残差应变能和单元残差应变能，获得单元损伤因子；

根据所述单元损伤因子，建立损伤定位指标。

7.根据权利要求1所述基于残差应变能的海洋平台损伤定位方法，其特征在于，所述步骤S6，包括：

设定损伤阈值；

将所述损伤定位指标与所述损伤阈值进行比较，判断海洋平台的损伤位置：

当所述损伤定位指标不小于所述损伤阈值，判定所述损伤定位指标对应的单元发生损伤；

否则，当所述损伤定位指标小于所述损伤阈值，判定所述损伤定位指标对应的单元未发生损伤。

8.基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统，其特征在于，包括：

完好海洋平台的振型矩阵获取模块，用于在实际作业环境中，对未损伤的完好海洋平台进行振动测试，得到完好海洋平台的振型矩阵；

完好海洋平台的残差获取模块，用于对所述完好海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到完好海洋平台的振型残差；

损伤海洋平台的振型矩阵获取模块，用于在实际作业环境中，对损伤的海洋平台进行振动测试，得到损伤海洋平台的振型矩阵；

损伤海洋平台的残差获取模块，用于对所述损伤海洋平台的振型矩阵进行主成分分析，得到损伤海洋平台的振型残差；

损伤定位指标生成模块，用于根据所述完好海洋平台的振型残差和所述损伤海洋平台的振型残差，构建损伤定位指标；

损伤位置判断模块，用于根据所述损伤定位指标，判断海洋平台的损伤位置。

9.根据权利要求8所述基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统，其特征在于，

所述完好海洋平台的振型矩阵获取模块，包括完好海洋平台的振型矩阵获取子模块，用于：

在实际作业环境中，通过传感器测量，获取多组完好海洋平台的结构动力响应数据；

根据所述多组完好海洋平台的结构动力响应数据，通过模态参数识别获取多组海洋平台的振型向量；

根据所述多组振型向量，构成完好海洋平台的振型矩阵。

10.根据权利要求8所述基于残差应变能的海洋平台损伤定位系统，其特征在于，

所述完好海洋平台的残差获取模块，包括完好海洋平台的残差获取子模块，用于：

对所述完好海洋平台的振型矩阵进行中心化处理，得到中心化处理后的振型矩阵；

根据所述中心化处理后的振型矩阵，计算得到协方差矩阵；

对所述协方差矩阵进行特征值分解，得到投影矩阵；

根据所述投影矩阵，将所述完好海洋平台的振型矩阵投影到环境因素空间，之后逆投影回原始向量空间，计算前后之间的差值，得到完好海洋平台的振型残差。