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考虑温度影响的模态应变能法海洋平台损伤检测研究

作　者: 刘克飞
导　师: 石湘
学　校: 中国海洋大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 海洋平台损伤检测温度变化模态应变能法
分类号: U674.381
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

开发现役海洋平台的整体损伤检测技术是非常具有工程实际意义的研究课题。对于导管架海洋平台这样的大型结构物,主要使用环境载荷下的振动信号进行模态识别和损伤检测,如何解决环境因素的干扰成为该技术的关键问题之一。在海洋环境下,环境温度的影响不可忽视。海水在水深方向上存在温度差,称为温度梯度现象；不同季节也存在温度差,表现为海水均匀升温。在多数导管架海洋平台所处的近海海域,这两种温度变化有时是非常显著的。本文以一个导管架平台为模型,研究了海水温度对结构整体损伤检测方法之一的模态应变能法的影响。主要的研究工作如下：第一,建立了一种海洋平台结构整体损伤检测受海水温度梯度影响的分析方法。以一个导管架平台为模型,考虑温度对钢材弹性模量的影响,建立了平台在模拟的海水温度梯度下的有限元模型,并论证了该模型用于损伤检测的准确性和可行性。第二,通过使用模态应变能法对该模型进行损伤检测,总结了温度梯度对基于模态应变能法的海洋平台损伤检测的影响规律。结果表明温度梯度会使该方法损伤定位能力变弱,对结构冗余度越大的构件影响越大；同时会使损伤程度识别精度降低,构件结构冗余度越大、损伤程度越小,影响越大。模态应变能法中用到的模态参数,使用两种方法得到。首先采用基于有限元模型特征值分解得到的模态参数进行分析,之后又进一步使用基于对振动响应进行识别得到的模态参数进行分析,两种分析方法得到的结论是一致的,但是温度梯度对后者的影响稍大一止匕第三,在以上研究的基础上进行了海水均匀升温条件下的损伤检测分析。结果表明,损伤模型与基准模型的温度差越大,对损伤定位及损伤程度识别的影响越大,且影响规律与温度梯度的影响规律相同。通过对比海水温度梯度及海水均匀升温的影响,找到了海水温度对海洋平台模态应变能法损伤检测造成影响的根本原因,即损伤模型与基准模型的温度差,以及由此产生的结构弹性模量差异。温度差越大,影响越大。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-20
  1.1 引言  11-14
    1.1.1 基于振动分析的海洋平台整体损伤检测技术的研究背景  11-12
    1.1.2 海洋平台整体损伤检测技术国内外研究现状  12-14
  1.2 本文的研究方向及意义  14-16
    1.2.1 平台整体损伤检测技术面临的干扰因素  14-15
    1.2.2 环境温度对平台整体损伤检测技术影响的研究意义及研究现状  15-16
  1.3 本文的研究内容及论文结构  16-20
    1.3.1 课题来源  16
    1.3.2 主要研究工作  16-18
    1.3.3 论文结构  18-20
2 海水温度对海洋平台动力特性影响的理论基础  20-25
  2.1 海水温度变化  20-23
    2.1.1 海水温度梯度现象  20
    2.1.2 海水均匀升温  20-23
  2.2 温度变化对结构动力特性的影响  23-25
    2.2.1 基于温度变化的钢材弹性模量变化  23-24
    2.2.2 基于温度变化的热胀冷缩效应  24-25
3 基于振动分析的海洋平台整体损伤检测的基本理论  25-38
  3.1 结构有限元方法基本知识  25-29
    3.1.1 二维梁单元  25-27
    3.1.2 三维梁单元  27-29
  3.2 导管架海洋平台的结构动力分析  29-30
    3.2.1 有限元模型特征值分解求解模态参数—自由振动解  29-30
    3.2.2 白噪声激励下的运动方程及其求解  30
  3.3 标量型ARMA模态识别方法  30-35
    3.3.1 ARMA方法基本思想  31
    3.3.2 自回归算子AR系数的估计  31
    3.3.3 ARMA方法对于结构模态识别的应用  31-32
    3.3.4 标量型ARMA方法的模态识别过程  32-35
  3.4 模态应变能法损伤检测方法  35-38
    3.4.1 基于模态参数的海洋平台损伤检测方法简介  35
    3.4.2 模态应变能法介绍  35-38
4 温度梯度对海洋平台模态应变能法损伤检测的影响研究  38-61
  4.1 模拟温度梯度的平台有限元建模方法  38-45
    4.1.1 平台初始有限元模型  38-39
    4.1.2 基于温度梯度的平台有限元模型再建  39-42
    4.1.3 再建模型的节点划分对损伤检测的影响  42-45
  4.2 基于有限元模型特征值分解求解模态参数的损伤检测分析  45-51
    4.2.1 温度梯度对损伤定位的影响  45-47
    4.2.2 温度梯度对损伤程度识别的影响  47-50
    4.2.3 小结  50-51
  4.3 基于对振动响应进行模态参数识别的损伤检测分析  51-61
    4.3.1 温度梯度对损伤定位的影响  54-56
    4.3.2 温度梯度对损伤程度识别的影响  56-60
    4.3.3 小结  60-61
5 海水均匀升温对海洋平台损伤检测的影响研究  61-66
  5.1 春季3月份温度条件下的损伤检测  61-62
  5.2 冬季12月份温度条件下的损伤检测  62
  5.3 不同月份温度条件下的损伤检测比较  62-65
  5.4 小结  65-66
6 结论和建议  66-68
  6.1 结论  66-67
  6.2 进一步研究的建议  67-68
参考文献  68-72
致谢  72-73
个人简历  73
发表的学术论文  73

考虑温度影响的模态应变能法海洋平台损伤检测研究

内容摘要

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