基于动力指纹的导管架型海洋平台损伤识别技术研究
沈阳建筑大学
硕士学位论文
基于动力指纹的导管架型海洋平台损伤识别技术研究
姓名：张永强
申请学位级别：硕士
专业：结构工程
指导教师：姜绍飞
2009-01
摘 要
海洋平台结构形式复杂、体积庞大，且长期服役于恶劣的海洋环境之中，受风、波浪、冰、地震等荷载的作用易造成损伤，降低了结构的服役安全度和耐久性。海洋平台一旦出现安全事故，带来的损失和社会影响都将是灾难性的。虽然基于振动的损伤检测方法由于经济、简单对结构物无损害而得到了人们的认可和应用，但是目前仍缺乏有效的基于动力指纹的海洋平台损伤检测与识别技术。基于此，本文开展了该方面的技术攻关和研究，主要工作和成果如下。
（1）研究了不同动力指纹用于导管架海洋平台结构损伤识别的可行性，发展出了基于轴向模态应变能的导管架海洋平台损伤定位方法，并通过有限元数值算例验证了该指纹对导管架平台损伤有较高的敏感性，说明了该指纹用于损伤识别是简单、有效的。
（2）合理利用模态曲率变化率和轴向模态应变能两个动力指纹，发展并提出了基于一阶振型的导管架海洋平台二阶段损伤定位方法：先利用模态曲率变化率确定损伤的大体位置，再利用一阶轴向模态应变能分别确定主导管和撑杆是否损伤及其位置。最后通过有限元数值算例验证了该方法的可行性和有效性。研究发现，该方法具有较好的识别精度，而且仅利用结构的一阶振型值，简单准确。
（3）探讨了决策树分类器理论在土木工程结构损伤识别中应用的可行性。提出了以模态曲率差、模态振型差、模态振型斜率差三个动力指纹为损伤指示特征的基于决策树损伤定位方法，开发了相应的损伤定位程序，并用导管架平台数值算例证明了决策树分类器在土木工程结构损伤识别中应用的可行性及该方法的有效性。此外，研究并提出了利用经过PCA（主成分分析）处理的样本与决策树结合的基于PCA-决策树的损伤定位方法；其识别精度较决策树识别方法稍有下降，但特征数可以大大约减，提高了运行和计算效率。
（4）对一个导管架平台模型进行了模态试验研究。以力锤敲击的脉冲力模拟平台受力，采集动力响应数据，进行样本数据预处理和特征构成；研究了模态参数变化和个别动力指对4种损伤模式的敏感性；并形成了4种损伤模式的训练样本和检验样本，利用开发的决策树损伤定位程序进行识别。研究发现，曲率变化率指纹可以判定平台的大概位置；本文提出的基于决策树损伤识别方法是可行的、有效的。
关键词：海洋平台；动力指纹；模态应变能；模态曲率；两阶段方法；损伤定位；决策树
Abstract
Offshore platforms are so large , complex and service in ocean. They are prone to be damaged during their service lives, caused by various environmental loads, such as, wind, wave ,earthquake .Therefore their safty and wear are degraded. Once the structure collapse, there will be great losses to the life and property. Therefore, it is essential to detect the structural damage. Damage identification methods based on dynamic fingerprints are recongnized as a reasult of its easiness,economy and no damage;but there are not effective dynamic fingerprints for offshore platforms so far. Therefore,research about them is made in this paper.
The main works are as follows:
(1) The feasibility of the method based on various dynamic fingerprints is discussed.A method based on axial mode strain energy for jacket offshore platf orm damage identification is presented. A finite element numerical model of jacket offshore platform is detected damage locations to validate the proposed method. The results indicate that the proposed method has good identification accuracy and is simple and efficient for large and complex structural damage detection.
(2) A two-stage damage localization method based on the first mode shape for offshore platform structure is presented integrating mode curvature with mode strain energy. In the first stage, the primary damage location is determined by mode curvature change ratio. In the second stage, dominant pipe legs and braces are judged and localized damage by the mode strain energy respectively. A numerical example is used to validate the proposed method. The results show the proposed not only has high identification accuracy but also is convenient and accuracy for only using the first mode shape.
(3) The application of decision tree to fault diagnosis and pattern recognition is overviewed, and then the feasibility of decision tree application to damage identification is introduced. Some arithmetic for decision tree in common use and their advantage and disadvantage are also discussed. To validate the feasibility of the proposed method, multi-damage patterns from a numerical example whose damage indices are mode curvature change, mode shape change and mode slope change at different noise levels are identified.The data dealed with Principal component analysis also is applied to decision tree and the result is compared with non-dealed.
(4) A steel jacket offshore platform model is tested and measured under dynamic loads. The feature parameters are calculated by using the first mode shape, and then training and testing samples with 4 damage patterns a re produced respectively. The samples are identified by the developed program decision tree. A comparison is made between this method and some other methods.
Keywords: offshore platform;dynamic fingerprint; mode strain energy; mode curvature;
two-stage damage localization method; damage identification; decision tree
声 明
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硕士研究生学位论文第一章绪论 1
第一章 绪论
１．１选题背景和意义
我国拥有海域面积达473万平方公里，各大海域都蕴藏着丰富的石油和天然气资源，随着我国陆地油气资源的减少，海上油气资源的开发显得尤为重要，海上油田的地位也变得越来越重要。开发海上油气田，需要有钻井和采油的海上平台。钢质导管架平台通过打桩的方法固定于海底，具有稳定性好和自持能力强的特点，它是目前海上油田中使用最广泛的一种平台。自1947年第一次被用在墨西哥湾6m水深的海域以来，发展十分迅速，到1978年，其工作水深己达312m据近一些年来的报道，己有一些钢质导管架平台的工作水深超过了500m。 1966年12月底，我国第一座固定式平台被成功地安装在渤海湾水深6m 处的油田上。从此以后，我国先后在渤海湾水深6-25m范围设计和安装了100多座固定式平台。固定式平台的迅速发展，创造了巨大的社会经济效益，对国民经济的发展起到了重要的推动作用。同时，海上平台的安全问题也受到越来越多的重视。作为海上石油资源开发的大型基础性设施，海洋平台是海上生产作业和生活的基地，其所处的环境十分复杂、恶劣，平台结构在海洋中长期承受着风、浪、流、冰及地震等多种环境因素的干扰，在其长期的影响下，造成结构的老化、腐蚀和疲劳损伤等。而且结构的某些重要部件一旦发生损伤，在极端恶劣海况下，尤其是遇到巨大的风暴潮，破坏范围会迅速扩展，可能很快导致整个结构的失效。损伤引起整个结构系统破坏的案例数不胜数。例如，1994年韩国汉城市中心的一座桥梁因结构内部受损而倒塌[1]；1999年1月重庆的彩虹大桥倒塌，导致41人死亡，14人受伤的悲剧；2004年6月，辽宁省盘锦辽河大桥发生坍塌，造成一辆货车，一辆轿车和一辆四轮车同时落入水中，造成多人死亡，交通中断。海洋平台结构的失效破坏会直接危及平台上人员的生命安全，并造成直接的重大经济损失和严重的海洋环境污染以及社会影响。因此，了解平台结构的安全运行状况是一项非常重要且有实际工程意义的工作。虽然在海洋平台结构损伤诊断和实时监测的健康监测系统研究方面取得了一定的进展，但尚未达到实际应用的水平，仍然存在许多问题有待解决。我国于70年代中期才开始对工程结构检测技术和评估方法的研究，虽然起步较国际上晚，但开发研究了许多符合我国国情的诊断方法与技术。随着社会经济的发展，大型复杂结构的大量涌现，对复杂结构的损伤监测与检测技术进行研究是非常有必要的，而探究损伤检测的数据处理方法和健康监测技术，对于今后结构健康监测系统的研制与开发打下了坚实的基础，也提供了广阔的应用空间和坚实的工程背景。
通常所用的无损检测方法是目测，对于如构件断裂等大变形目测可能判定损伤。然而，对于材料老化造成的损伤，在不可靠近的区域是很难利用目测检测损伤的，所以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、超声检测等方法属于结构局部损伤检测方法不适用海洋平台结构的无损检测。基于结构动力特性变化的诊伤算法被认为是最有发展前景的结构全局诊伤方法，发展基于概率统计意义上的诊伤算法显得更加贴合实际，此外，结构全局性诊伤算法与传统的局部诊伤算法相结合的结构健康监测技术不失为
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第一章 绪论 硕士研究生学位论文 一个较好的发展方向[2]。虽然基于振动的损伤检测方法由于经济、简单对结构物无损害而得到了人们的认可和应用，但是目前仍缺乏有效的基于动力指纹的海洋平台损伤检测与识别技术。基于此，在国家自然科学基金（50878057）、教育部重点科技项目和福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划的资助下，开展本方面的理论和实验研究，对于今后该类海洋平台的状态评估和安全性评定具有十分重要的理论和现实指导意义。
１．２损伤识别技术的研究现状
图１．１ 损伤检测技术分类
图１．２ 无损检测技术分类
损伤检测方法大体上可分为两大类，即有损检测和无损检测，具体的分类可参见图1.1、
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1.2有损伤检测会造成结构的局部破坏，因此该方法在实际应用中受到了限制。相对有损伤检测，无损检测方法具有简单、效率高等优点，在结构损伤检测中应用较广，目前有多种无损检测方法，如目测法，光谱法、超声波法、雷达法等，这些方法都属于局部损伤检测方法，大都需预先知道损伤的大概位置作为条件，而这对海洋平台来说难以满足，此外，差的视觉条件及海洋生物的覆盖，都导制了用局部损伤检测方法检测海洋平台结构损伤的不可行性。基于这点动力响应的结构无损检测展现出了强大的优势。基于振动响应分析的结构损伤检测方法能检测出结构中是否存在损伤、损伤的位置和程度，弥补了上述传统的结构损伤检测方法的不足，满足了人们对大型复杂结构进行损伤检测的需求。基于振动的结构损伤识别方法从研究和应用的角度可分为模型修正法和动力指纹法，按照所利用的特征量是否使用结构模型可分为有模型识别法和无模型识别法。常用的识别损伤的方法按标识量划分有基于固有频率变化的识别方法、基于位移、应变模态参数变化的识别方法、基于刚度变化的损伤识别技术、基于应变能变化的识别方法、基于柔度变化的损伤识别方法、基于模态曲率识别方法、基于时域响应的损伤识别、基于神经网络损伤识别技术等。
对基于响应的结构无损检测，国内专家学者做了大量的工作，也取得了显著的进步。从数据来看可分为静态测试数据和动态测试数据，静态测试数据是指结构在静载荷作用下的响应如位移、应变等参数，动态测试数据则是结构的固有频率、振型等模态参数。相对而言，目前，国内在采用静态测试数据进行结构损伤识别方面开展的工作相对较少，而采用动态测试数据或将静态测试数据与动态测试数据结合起来进行损伤识别的则较多。胡宁等[3]在利用模态试验数据进行结构损伤诊断方面开展了研究，考虑到对土建结构进行动态测试，一般只能得到低阶固有频率的较准确值而很难得到理想的振型测试结果，因此又提出了利用结构静态加载的响应并结合低阶固有频率信息来进行损伤定位。王德明[4]提出利用各阶固有频率的相对变化量的折线图来判断结构中的损伤位置，先计算出不同位置损伤引起结构各阶固有频率的相对变化量，并作出折线图，再对实际结构进行测量，通过实际的折线图与理论计算的折线图进行比较，来判断出损伤的位置。张启伟和范立础等[5]则提出一种基于模型修正理论的结构损伤检测方法，同样利用振动模态数据和静力位移测量数据对桥梁结构进行损伤诊断，只是算法与胡宁等人的算法不同。李国强等[6]总结出了框架结构损伤诊断的两步法，用于建筑结构的损伤识别。20世纪90年代以来，国内学者开始利用神经网络和遗传算法进行结构损伤诊断研究[7]。谢峻和韩大建[8]对一种较好的基于频率的结构损伤识别方法进行了综合评述，并对针对其不足进行了改进。唐和生等[9]利用状态向量直接求导的新方法，全面地分析了基于结构振动模态参数（频率、特征向量和动柔度）关于设计参数（质量、刚度和阻尼）的相对灵敏度。该方法比传统的方法计算简单方便而且弥补了传统方法中参数考虑不全的缺点，这样更符合实际工程。顾培英[10]等提出了无健康标准下基于损伤应变模态差分原理的直接定位损伤指标法ISMSD (StrainModeShape Difference)，只需利用损伤后应变模态数据即能定位损伤。李功标和瞿伟廉提出了一种基于空间杆系结构应变模态和贝叶斯统计方法的损伤识别方法。汤凯和刘济科[11]将应变模态作为实测资料应用概率方法进行结构损伤定位。Shao-Fei Jiang等[12]结合概率神经网络和
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第一章 绪论 硕士研究生学位论文 数据融合发展出了5阶段结构损伤识别方法并通过两个模型验证了该方法的有效性。郭惠勇等[13]，描述了基于结构损伤识别的功能信息融合模型，并在此基础之上采用了多种融合方法进行了数值仿真和分析。数值仿真结果表明，采用了信息融合技术的结构多损伤位置识别，可以产生比单一信息源更精确、更完全的估计和判决，而且不同的信息融合算法的应用往往取决于研究对象和实际条件的要求。
国外学者在损伤诊断领域同样开展了大量工作，Pandey[14]采用曲率模态 (Curvature Mode Shapes)来识别悬臂梁和简支梁的损伤，且将该方法与模态保证准则(Modal assurance Criterion，简称MAC)和坐标模态保证准则(CoordinateModal Assurance Criterion，简称COMAC)的识别结果进行了比较，说明后两种方法对结构早期损伤不够敏感。Hajela和Soeiro[15]则采用静挠度和振动模态并结合输出误差方法来识别结构损伤。有的学者还采用应变模态、动柔度、模态应变能等来进行结构损伤识别。Wu[16]则将相对加速度的傅立叶谱作为神经网络的输入数据，利用神经网络来识别结构的损伤。Thyagarajan用频率响应函数来进行损伤位置识别，其优点是只需要很少的传感器。在Tsou和Shen[17]中，作者利用BP神经网络对弹簧质量系统进行了多损伤识别，结果表明，对训练数据范围内的测试样本，识别结果较好，而超出该范围的测试样本，则误差较大。然而，用得最多的模态参数是固有频率或者是固有频率与振型的组合。Contursi[18]讨论了采用频率的改变量所能识别的最小损伤问题，并且指出在有限元单元划分时，粗单元要比细单元对损伤位置能更好确定。Ruotolo和Surace[19]利用测试和计算的频率差值、模态曲率差值及模态向量差值，进行基本函数组合，构造一个新的目标函数，然后利用遗传算法进行多损伤区识别。Messina[20]提出了基于灵敏度分析和统计分析的损伤检测方法，该方法是在多损伤定位保证准则(Multiple Damage Location Assurance Criterion，简称MDLAC，由该论文作者本人提出)的基础上发展的，它只需结构损伤前后的固有频率值，因而具有良好的工程实用性。Lam[21]提出了一种基于灵敏度分析和试验模态分析的损伤定位方法，并发展了两个技术，即近似参数变化 (Approximate Parameter Change，简称APC)技术和损伤信号匹(DamageSignature Matching，简称DSM)技术，并通过一个6层框架数值仿真研究和一个两层框架的试验研究证明其有效性，两种技术都使用了结构损伤前后的模态测量数据，将这两种技术结合，有希望得到一个可用于大型结构的损伤识别方法。而且，尽管APC值不能精确描述损伤的程度，但试验证明APC值在某种程度上体现了相对的损伤程度。Duan和Yan[22]等通过引入一个“虚拟结构”，借助由环境激励下的响应数据识别所得的幅值任意的模态振型对虚拟结构的质量矩阵的正交性关系、以及原结构和虚拟结构的特征方程，提出了另外一种构建比例柔度矩阵的方法；并且改进了传统柔度的定义，提出了弦转角(ASH)柔度的概念，并发展了基于ASH柔度的损伤识别方法，这种方法适用于梁式结构和板式结构。PFM使DLV方法能够真正应用于环境激励或外界激励源未知的情况和测试自由度不完备的情况。虽然损伤识别方法很多，但许多理论研究成果往往不能胜任实际工程结构的动力检测。很大程度源于实际工程结构动力响应的观测噪声、观测不完备性，结构模型化误差及急振源的不确定性等。尽管人们在结构损伤识别方面己经取得了一些成果，但是由于认识水平、
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试验测试技术和现场条件等的限制，损伤识别研究仍然受到结构模型的不完备、观测数据不完整、观测数据不精确等因素的制约而进展速度不快。结构损伤检测是一个十分复杂的问题，由于结构的复杂性及各种因素的影响，使得该方法在实际工程应用中还存在着不少问题。因此，结构损伤探测技术还有待于进一步的研究与发展。
对工程结构进行健康监测与损伤检测的研究开始于20世纪40年代，80年代以来，对这方面的研究已近达到了成熟阶段，并制定了一系列的标准和规范，强调综合评价，引入知识工程，结合有限元分析等数值计算方法与结构损伤检测方面的专家经验，使结构损伤检测与可靠性评估工作朝着智能化的方向发展和迈进。
20世纪90年代初，随着微型计算机的发展和广泛应用，计算智能在损伤检测领域中得到了广泛的应用，出现了基于人工智能的系列检测技术如专家系统、神经网络、模糊理论、遗传算法等。近年来小波分析、远程监测、数据融合等方法与技术也逐渐出现，并有了一定的应用。
国外对大跨度桥梁的健康检测系统应用比较早，早在20世纪80年代中期，就开始在多座桥梁建立健康检测系统，英国在总长522米的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设各种传感器，检测大桥运营阶段，在车辆与风荷载作用下，主梁的振动、挠度和应变等响应，同时检测环境风和结构温度场。瑞士在混凝土桥（Siggenthal Bridge）建设过程中安装了健康监测系统，采用了58个光纤变形传感器，2个倾角仪，8个温度传感器，用于监测桥梁建设过程中和以后长期的变形、屈曲和位移。丹麦曾对总长1726米的Farce跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监测，旨在检查关键的设计参数，获取桥梁使用期间关键的健康信息。墨西哥对总长1543米的Tampico斜拉桥进行了动力特性测试。加拿大联邦Confedration桥（1997）全长12.9千米，是一座跨度为250米（45跨），建于海水中的预应力混凝土箱梁桥，设计寿命为100年。该桥上建立了一套综合监测系统，包括加速度计、应变计、倾斜计、水荷载传感器、热电偶传感器等各种传感器共740个[23]。
我国自20世纪90年代开始对结构健康监测系统进行理论研究与工程的应用研究，并在一些重要的大型桥梁上建立了健康监测系统。香港的几座大梁、大陆的虎门大桥、徐浦大桥、钱江四桥等在施工阶段已开始传感器的安装，在运使用间对结构进行实时监测。其中香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥上安装了目前世界上规模最大的实时安全监测系统，即“风与结构健康监测系统”（Wind and Structural Health Monitoring System）。三座桥上的传感器系统由900多个各类传感器及有关附件组成信息收集系统为桥内的9个电脑控制的信息采集、处理和分析系统为桥监室中的2台电脑工作站负责分析信息。另外，渤海石油平台也实现了结构实时监测与安全评定的远程网络系统，一些国内外的高层建筑和场馆结构也开始安装结构安全监测系统。随着大型结构健康监测系统的不断发展，带来了新的问题，如怎样有效地利用来自多传感器的带有冗余性、噪声和不定性的海量数据，进而对结构的健康状况评估是摆在科研人员面前的难题。
在国内，为了满足工程结构特别是大型复杂结构整体探伤的需要，已经有一些专家和学者通过结构使用期内振动响应特性的变化来对复杂结构的健康监测状况进行检测与诊
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第一章 绪论 硕士研究生学位论文 断。如同济大学的李杰、李国强[24]教授对高层建筑健康诊断与损伤检测方面做了研究，针对高层建筑损伤检测实际中设备需求过多等问题，文献提出了运用子结构参数识别的方法，对层间模型的力学参数进行了识别。欧进萍教授针对渤海JZ20-2MUQ海洋平台的实时安全监测系统[25]。这些基于振动的诊伤方法往往由于模态参数对某些构件的损伤不敏感或特征参数难以提取等原因而不便于实际应用。
１．３方法评述及存在的问题
（1）基于动力指纹的方法：具体来讲，此种方法是对待测结构系统进行激励，通过振动测试、数据采集、信号分析与处理，由系统的输入和输出来确定结构的动力特性，根据结构系统的动力特性来反推结构的质量、刚度等物理特性。也就是说，基于振动的结构损伤检测是一个明显的反问题，其核心思想是模态参数（频率、模态振型、模态阻尼等）是结构物理特性（质量、刚度等）的函数，只要结构系统的物理特性发生改变，必然会导致模态特性与健康结构的模态特性进行比较，来判断结构是否发生损伤。但由于关系到模态识别，对测试仪器及识别方法的精度有较高要求。该类方法使用的损伤诊断指标包括结构损伤前后的模态参数包括固有频率变化，模态振型变化，阻尼变化以及由模态参数衍生出的一些指标，如模态应变能、模态曲率、模态柔度等，研究表明某些衍生出的指标对损伤较为敏感。固有频率诊断损伤的优点是振动测试较容易，并且精度较高，但不包含空间位置信息，并且对局部损伤不敏感。模态振型包含空间信息量大，然而测试对于结构局部损伤较为敏感的高阶模态难度较大；一些研究人员利用曲率模态振型，模态应变能指标能够精确的诊断结构损伤位置。利用柔度矩阵进行损伤诊断的优点在于其构成仅仅需要前几阶的模态。但是测试模态应变能，曲率模态振型，柔度矩阵诊断损伤需要较多的测点，需要结构转动自由度的测试信息，这对海洋平台等大型土木结构实际的运用条件而言仍然有一定的局限性。然而，可以利用少测点曲率变化率等指纹确定损伤的大致位置，再在该区域内利用利用其它动力指纹确定损伤的具体位置。综合利用多个动力指纹带来的损伤信息是一个好的研究方向。
（2）基于时频域信号的方法：基于时域信号的方法是直接利用时域响应信号或对时域信号做响应的数学变换（傅立叶变换、希黄变换、小波变换等）而不识别结构的模态参数进行结构损伤识别的方法。结构的频响函数可以通过结构输入（激振力）和输出（动力响应信号、加速度、速度或位移）的傅立叶变换直接计算出来，消除了由于结构模态参数识别所引入的误差；结构的频响函数能够提供丰富的结构损伤信息，因为结构频响函数能够提供比模态参数频带宽的信息；但是基于结构频响函数损伤诊断方法的弱点在于要求已知结构的输入（激振力），这个局限性决定了其不适用海洋平台等于大型土木工程结构物。小波分析所特有的将时域信号分解成主要频率成分的能力，克服了傅立叶变换的不足，实现了对非稳态信号的时频域分析，能够直接对振动测试的信号进行分析，为克服基于傅立叶变换的损伤检测方法遇到的困难提供了潜在的可能。利用小波变换对信号奇异性的敏锐性和放大作用可以进行损伤识别，是一种新的适用于非线性、非平稳信号且具有自适应性
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的数据处理方法。和小波分析相比， HHT方法在客观性和分辨率方面都具有明显的优越性，能有效提取结构故障特征[25]。
（3）基于模型修正的损伤诊断的方法是基于结构模型摄动矩阵如质量、刚度和阻尼矩阵，使修正后的模型与测试的结构尽可能的接近。通过模型修正技术，结构的损伤能够通过比较数值模型和实际模型去诊断损伤位置。因为结构模型修正技术不仅能够诊断结构的损伤，而且能够识别结损伤程度，这使模型修正技术能够较为广泛地被用于损伤诊断；当然，此种方法的工作量是巨大的而且依赖于数值软件的精确性。
（4）基于概率统计理论的损伤诊断方法，用统计分析方法研究实际的模型修正或损伤诊断主要是研究有限元模型的误差和测试噪声。有限元模型的不准确性主要由于不确定的物理参数，不确定的边界条件和结构的非线性。这些对于工程结构而言是非常真实和不可避免的；另一方面，实际的振动测试过程中，测试噪声是不可避免的，而统计分析的方法是处理此类问题较好的手段，这也是基于概率统计理论损伤诊断方法的优点。
（5）智能检测技术随着人工智能系列技术的发展，如专家系统、神经网络等，出现了一些基于智能算法和理论的新型损伤诊断方法，使得损伤诊断技术逐渐完善并向智能化方向发展，其中，基于知识的专家系统研究起步最早，目前在损伤诊断中已经成功地应用，可以通过人机对话，较为准确地诊断出结构损伤的位置和程度。模糊理论由于具有处理不确定信息的能力，因此通常和专家系统相结合，作为前处理和后处理的工具。神经网络技术在诊断中的应用起步较晚，但由于它强大的并行计算能力和自学习功能及联想能力，很适合做故障分类和模式识别，因此在结构健康监测与损伤诊断中很受欢迎。损伤识别的本质就是模式识别，因此模式识别中应用的方法大部分都可以开发作为海洋平台等土木工程结构损伤识别的方法。决策树是一种简单有效的模式分类方法。
１．４导管架海洋平台及其损伤检测
1.4.1 导管架海洋平台及特点
我国第一座导管架式平台是1966年12月底成功地安装在渤海湾水深6m处的油田上，它作为海上钻井装置载入了我国海洋油气开发史册。从这一平台算起，我国导管架平台发展已有30多年的历史，这期间，我国先后在渤海湾深水6-25m范围设计和安装了20多座固定式平台。近几年来，我国先后与日本、法国、美国及英国等12个国家45家公司合作开发海上油气资源。中日合作开发的渤海坦北油田和中法合作开发的南海北部湾涸10-3油田于1985、1986年先后投产，标志着我国海洋石油工业进入了勘探、开发的新时期。1986年6月，渤海石油公司平台制造厂为南海涸10-3油田成功地制造了井口导管架平台，标志着我国导管架平台制造已达到了世界先进水平。但由于施工和技术等原因，我国的海上平台结构还都主要以固定式平台为主[26]。
海洋平台大体可分为移动式平台和固定式两类形式。导管架固定式平台，是海洋工程领域广为应用的结构形式。导管架平台主要由两大部分组成。一部分是由导管架和钢管桩组成，用来支承上部设施与设备的基础结构，通常称为支承结构；一部分是由甲板及其上
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第一章 绪论 硕士研究生学位论文 生产和生活模块。导管架是由腿柱和连接腿柱的纵横杆系所构成的空间构架。腿柱是中空的，钢管桩通过腿柱打入海床，以便固定导管架；纵向与横向联系称为支撑，用于传递水平荷载，保证结构在施工和安装中整体稳定。腿柱和桩共同作用构成了导管架平台的支承结构。目前人们已经发展了各种形式的导管架平台，它的应用范围从水深10m至200m，可惜目前我国导管架海洋平台的作业水深还没有超过200m的。导管架平台以其结构受力状态较好，在恶劣的海洋环境中，桩打的准、打的直、整体稳定性好，设计、制造及安装技术成熟、实践经验多、适用性强等特点，在实际中被广泛应用。构造见图1.3[27]。
1.4.2 海洋平台损伤检测研究现状
对于导管架海洋平台，主要的损伤形式包括以下几种：一为管接头焊接处的裂缝；二为由点腐蚀或面积腐蚀引起的缺陷；三为构件局部发生裂缝和变形。Paula F Viero和Ney Roitman[28-29]对导管架平台进行了一些损伤检测方法应用的研究。MatiasE[30]等人以四桩固定式平台为例，考虑各种因素对平台低阶频率的影响，根据平台的甲板上的振动测量信号，来研究平台结构的完整性评估。
图1.3 导管架海洋平台概貌
R．N．Coppolino和S.Rubin[31]研究了深水导管架平台模型，在海平面以上的结构布置测点，在不同杆件失效时，研究结构的前25阶固有频率和振型的变化量对损伤的敏感度。Etube L.S、Brennan F.P和Dover W.D[32]针对自升式平台，研究了模拟工作状态下由于疲劳
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而引起的传递函数的变化。Lalu Mangal[33]等人通过试验分析和数值模型计算，用脉冲和松驰响应，研究了固定式平台在六个不同位置有损伤时以及甲板质量改变时的固有频率和时域响应。Hyong M.Kim和Therdore J.Bartkowicz[34]通过试验手段，以桁架结构为研究对象，研究刚度矩阵的变化以确定损伤。采用了二步检测法，即第一步首先确定损伤的大体位置，第二步再确定构件损伤的具体位置。杨和振，李华军，黄维平[35-36]研究基于振动测试的无损检测方法，提出了一套利用结构单元模态应变能特性的新损伤诊断方法；介绍了对位于渤海湾的“埕岛二号”中心生活平台所进行的现场测试实验，该平台为直立式导管架钢结构平台。利用频域的模态识别法峰值（pp）和时域中的自然激励法（NEXT）结合特征系统实现算法(ERA）分别对海洋平台结构现场测试的动力响应数据进行模态参数识别。张兆德，王德禹[37-38]针对海洋平台损伤检测方法中需要未损伤模型参数的不便，提出了一种相对频率变化量的方法；将基于模态参数的损伤检测方法应用于海洋平台，并进行改进，提出了利用2次测量频率变化量的频率检测方法，在无未损伤模型参数的情况下也可以发现损伤的存在，并对损伤进行初步定位；同时提出利用不完全振型的相对变化，判断某些构件的断裂。刁延松，李华军等[39-40]首先利用测量自由度正则化损伤指标向量得到损伤的大致区域;其次，在选定的区域内分别采用序列二次规划算法和最小二乘法来诊断损伤构件及其损伤程度，并对其结果进行了比较；提出了基于神经网络技术的海洋平台分类多重损伤诊断方法。现有的基于动力指纹的海洋平台损伤识别方法很多，但很多方法都需要较高阶的模态参数，而且仅仅利用单个动力指纹的损伤信息，这样就存在很大的局限性，尚无一种是简单、有效、可行的。本文研究所有基于动力指纹的方法仅利用结构的一阶振型，并研究了综合利用两个和多个动力指纹的方法，使多元信息得到更充分的利用。
１．５ 研究思路和主要工作
从上个世纪八十年代至今，研究人员提出、发展、完善许多结构损伤诊断方法，然而，至今适合于大型土木工程结构健康监测的损伤识别方法尚未完全形成。本论文以导管架海洋平台为研究对象，在分析和总结国内外有关资料与研究成果的基础上，从工程实际应用出发，对基于动力指纹的损伤识别方法进行了系统的研究，其中包括：单个动力指纹对导管架海洋平台的损伤识别、两个指纹的识别方法、综合利用多个指纹的识别方法。为了验证所提方法的可行性和有效性，分别用一个5层三腿的导管架海洋平台的损伤数值模型和试验模型结果进行了验证。研究的技术路线见图1.4。
本文的主要研究内容包括以下四个方面：
（1）研究了不同动力指纹对导管架海洋平台结构损伤识别的可行性，发展并提出了基于轴向模态应变能的导管架海洋平台损伤识别方法。并通过海洋平台的有限元数值模型验证了该方法的有效性。
（2）综合应用模态曲率变化率和轴向模态应变能两个动力指纹，进一步发展并提出了基于一阶振型的导管架海洋平台二阶段损伤定位方法：先利用模态曲率变化率确定损伤的大体位置，再利用一阶模态应变能分别确定主导管和撑杆是否损伤及其位置。最后通过
10
第一章 绪论 硕士研究生学位论文 一个三腿导管架海洋平台有限元数值模型验证了该方法的可行性和有效性。
（3）论述了决策树分类器理论在模式识别和机械故障诊断领域中的应用及其在土木
图1.4技术路线图
工程结构损伤识别中应用的可行性。列举了决策树分类器的几种常用算法并评述了它们的优缺点以及适用范围。提出了以模态曲率差、模态振型差、模态振型斜率差三个动力指纹为损伤指示特征决策树损伤定位方法；编写了决策树分类器算法的程序，通过一个数值算例在不同噪声条件时证明了决策树分类器在土木工程结构损伤识别中应用的可行性。
（4）对一个5层三腿导管架海洋平台模型进行了试验研究。采集动力响应数据，编写了分量分析法的批量处理程序进行样本数据的模态参数识别和特征构成；研究了常用动力纹指对4种损伤模式敏感性；并形成了4种损伤模式的训练样本和检验样本，利用编写过的决策树算法程序进行损伤识别。
硕士研究生学位论文 第二章 基于动力指纹的损伤识别方法研究 11
第二章 基于动力指纹的损伤识别方法研究
2.1基于固有频率的动力指纹
2.1.1 固有频率变化比
固有频率是最易获得的模态参数，由结构动力特征方程可知，频率是结构整体刚度与整体质量的函数，是一个整体量[41]。结构某处出现损伤会造成固有频率的变化，由于工程结构发生损伤时质量一般不会损失，因此，局部刚度的损失和频率改变存在着对应关系。由于发生在结构的不同部位的同样大小的损伤对结构各阶频率的影响程度是不同的，这实际上提供了结构损伤的空间信息。
1979年，Cawley 和Adams [42]最早利用频率对结构进行损伤识别，作者通过特征值对结构物理参数的灵敏度分析，在单损伤情况下得出：结构损伤前后，任意两阶频率变化的比值，只与损伤位置有关，并给出了相应的证明：
δωi =f (δK ，r ) (2-1)
其中r 为损伤位置向量。级数展开并忽略高阶项可得：
),0()
(),0(r K f K
r f i δδδω??+= (2-2) 因为f (0，r )=0，所以 δωi =δKg i (0，r ) (2-3)
同理有：
δωj =δKg j (0，r ) (2-4)
假设刚度的变化独立于频率，则有：
)()
()(r h r g r g j i j i ==δωδω (2-5) 可见，两阶频率的变化比是只与损伤位置有关的模态参数。
上式表明，任意两阶频率变化的比值只是损伤位置的函数，式中r 表示结构的物理参数（刚度），作者最后以一铝制板和碳纤维塑料板为对象，通过有限元模拟和试验证实了这一结论。利用有限元分析，这种方法可以适用于任何结构类型，而且损伤程度的大小可以由频率改变的程度得以表现；但这种方法只适用于单处损伤或虽有多处损伤但损伤程度一样的情况，而且不能区分结构中对称位置的损伤。对于象海洋平台等的大型空间结构，此方法更不适用。
2.1.2 固有频率变化平方比
第二章 基于动力指纹的损伤识别方法研究 硕士研究生学位论文
121990年，Stubbs [43]根据一阶动态灵敏度分析，推导了频率关于结构物理参数更为一般的表达式：
[F ]{α}={Z d }+{Z }max +{Z }damp (2-6) 式中，[F ]为特征值相对结构物理参数的灵敏度矩阵，向量{α}为结构物理参数由于损伤发生的改变量，右边项则为测得的由于结构物理参数改变而引起的损伤结构频率改变量。作者以欧拉-伯努力梁为分析对象，忽略质量和阻尼的改变，利用结构前7阶频率，识别结构损伤。由于振动公式中忽略了二次高阶项的影响，在对多损伤的情况进行模拟时，识别的误差明显增大。但可以发现，被预测出的损伤大多还是集中于真正损伤部位的附近。最后，作者在对一空间桁架结构进行模拟时，将其简化为梁类结构，如果桁架上、下弦杆损伤，对应于结构的弯曲变形，用欧拉-伯努力梁理论来分析，如果斜腹杆损伤，则可以用铁木辛柯梁理论来分析。
1991年，Hearn [44]指出，结构损伤后，各阶频率变化归一化后，任意两阶频率变化的比值，是结构损伤位置的函数：
j
T j j N N j T N i T i i N N i T N
j i M K M K φφφεφεφφφεφεωω)
()()()(22=ΔΔ (2-7) 式中，εN (φi )表示利用振型计算出的损伤单元变形。作者指出，由于各种不确定的情况，例如桥梁支座条件、结构附属物、杆件不均一、测量噪声都直接影响这种方法的识别结果，如果仅需对某几个关键部位进行监测时，可以选择对这些部位的损伤比较敏感的模态组合。
2.1.3 正则化的固有频率变化比
2001年，陈素文[45]在博士论文中提出了正则化的频率变化率只与损伤位置有关，定义频率变化率为：
ui
di ui i f f f FFC ?= (2-8) 式中，f ui 和 f di 是结构在健康和损伤状态下的频率。频率变化率与损伤的程度和位置均相关，即：
FFC i =g i (r )f i (ΔK ，ΔM ) (2-9)
式中，r 为损伤位置向量。将f i 关于ΔK ＝0和ΔM ＝0级数展开，并忽略高阶项，可得：
)}0,0()0,0()0,0({)(K
f K M f M f r
g FFC i i i i i Δ??Δ+Δ??Δ+×= (2-10) 式中，f i (0，0)＝0（因为此时结构处于无扰动状态），从而有
)}0,0()0,0({)(K
f K M f M r
g FFC i i i i Δ??Δ+Δ??Δ×= (2-11) 式中，f i 在ΔK ＝0和ΔM ＝0处得偏微分为常数。因而有
硕士研究生学位论文 第二章 基于动力指纹的损伤识别方法研究 13
FFC i = ΔMm i (r )+ ΔKn i (r ) (2-12)
一般情况下，结构得损伤主要是刚度的损伤，因此，可以假定ΔM ≈0，因而正则化的频率变化率为：
)()()
(11r l r n K r Kn FFC FFC NFCR i m j j i m j j i i =ΔΔ==∑∑== (2-13)
由上式可以看出NFCR i 只与损伤位置有关。
2.2基于振型的动力指纹
2.2.1模态振型差
位移模态反映了复杂结构的固有振动形态，代表其固有的能量平衡形式，因此可以用作结构的损伤识别标识量。U d 、U u 分别为结构损伤和未损伤的振型值。
Du =U d -U u (2-14)
利用结构模态参数进行损伤诊断的研究中，更多的研究致力于同时利用频率和振型。频率是表征结构刚度及其它物理参数发生改变的一个宏观指标，而振型却能更加敏感地反映结构局部的变化。West [46]可能是第一个系统地利用振型信息进行结构损伤定位的学者。1985年，Yuenl [47]对一悬梁进行研究，定义了如下参数：
0''*
}{}{}{j j x ji
ji x ji x U U U λλ?= (2-15) 00''*}{}{}{j j z ji z z λθλθθ== (2-16)
损伤识别时，在结构损伤处，参数}{}{**z x U θ和都会发生突变，}{*x U 在突变之后又维持
线性不变，而}{*z θ则发生阶跃，这样的突变点就表明了结构的损伤位置，而突变程度的大
小，表明了损伤的程度。对于高阶振型的进一步研究表明，形状复杂的高阶振型对应的损伤参数几乎不能用于损伤识别。
2.2.2模态曲率差和模态曲率变化率
截面曲率Ф″与弯矩M ，截面抗弯刚度EI 关系为Ф″= M/(EI)，由此可知当结构出现损伤时，EI 减小，Ф″增大，因此可根据杆件截面的曲率差来进行损伤定位。对于海洋平台结构，可利用模态曲率进行损伤定位。把海洋平台结构沿纵向化分为若干部分，每一部分作为一个子结构来考虑，当某一子结构中的一根杆件发生损伤时，可能引起该子结构上设置于节点上的位移测点模态曲率的较大变化，而其它子结构内设置于节点上的位移测点的模态曲率差应该相对较小。下面通过模态曲率变化率来表征模态曲率变化的大小，公式如下[48]：
()121232[(1)()]2[()(1)]u u u u u i i i i i
l j j l j j C j ll l φ+?φ?φ?φ?= (2-17)
第二章 基于动力指纹的损伤识别方法研究 硕士研究生学位论文
14()121232[(1)()]2[()(1)]d d d d d i i i i i
l j j l j j C j ll l φ+?φ?φ?φ?= (2-18) 式中，C i (j)为第i 阶模态第j 测点位置的模态曲率Фi (j +1)、Фi (j )、Фi (j -1)分别表示第i 阶模态在（j +1）、j 、（j -1）测点的模态位移值；上标u 、d 分别表示结构的健康和损伤状态；l 1为测点j 与j -1间的距离，l 2为测点j 与j +1间的距离，l ３为测点j +1与j -1间的距离。定
义模态曲率差和变化率为：
Dc =()d i C j -()u i C j (2-19)
()()()
()d u i i i u i C j C j I j C j ?= (2-20)
I j 值最大的地方是最有可能发生损伤的位置。
2.2.3 振型斜率差
在结构振型的基础上，可以求得结构在第i 阶模态的斜率，结构在健康与损伤状态下，位于j 位置的模态斜率分别为：
l j j j S ui ui ui /)]1()([)(?Φ?Φ= (2-21)
l j j j S di di di /)]1()([)(?Φ?Φ= (2-22)
Φui (j )表示第i 阶模态在j 位置的模态矢量值；l 为两个位置之间的距离。d 表示结构在健康状态下的模态矢量值，u 表示结构在损伤状态下的模态矢量值。 在得到结构损伤前后振型曲率后，我们进行进一步处理，得到模态斜率差：
ui di DS =S (j)-S (j) (2-23)
DS 值最大的地方是最有可能发生损伤的位置。
2.2.4 MAC
West [49]提出采用模态置信度指标MAC 获得实测的损伤前后的振型相关水平来进行损伤定位：
u T d 2i i u T u u
T u i i j j [()]M A C (i,j)=[()][(()]
φφφφφφ (2-24) 式中φi 是结构第i 阶模态向量;上标u 、d 分别表示结构损伤前后的量。MAC 是一个无量纲的量，范围从0到1。MAC 值越接近0表示发生损坏的可能性越大，否则相反。此方法仅能用来判定是否纯在损伤和相对程度，并不能进行损伤定位。
2.2.5 COMAC
文献[50]对MAC 准则进行改进，提出了坐标模态置信度指标COMAC 法。其公式如下：
212211[()()][()][()]n u d i i i n n u d i i i i j j C O M A C j j ===φφ=φφ∑
∑∑ (2-25)
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式中φi u 、φi d 分别表示结构在健康状态和损伤状态下第i 阶模态在J 位置的模态向量。COMAC 值在。0~1之间，当没有损伤时，则COMAC=1;当COMAC 值接近0时，表示结构在J 位置发生损伤。COMAC 可以指示损伤位置。
2.3基于频率和振型的动力指纹
2.3.1 柔度矩阵
柔度矩阵法的依据是结构的损伤会引起结构柔度的增加，文献[51]提出了结构损伤存在和位置的检测可用柔度矩阵法来构造指标。利用结构损伤前后柔度的改变量来判断结构的损伤。结构的柔度矩阵[I ]可以近似的表示为：
2
1}}[]T n
i i j i I ω={φ{φ≈∑ (2-26)
从而可得结构损伤前后柔度矩阵的改变量：
[ΔI ] = [I ]u -[I ]d (2-27)
[ΔI ]的对角线元素表示在这一位置施加单位力时，这一位置所发生的静位移。将[ΔI]的对角元素标准化，用来指示损伤
j u
d jj jj u
jj I I I δ?= (2-28)
δj 用来指示在j 位置柔度的变化量，δj 值最大的地方是最有可能发生损伤的位置。
2.3.2 刚度矩阵
Standers[52]认为利用损伤引起模态刚度矩阵的变化同样可检测结构的损伤。文献[53]、
[54]建立了关于结构刚度和质量变化与特征值变化之间的关系式，并对梁单元进行了试验验证。与柔度法类似，结构的刚度矩阵[K]可表示为：
21
[]}}n T i i i j K ω=≈{φ{φ∑ (2-29) [ΔK] = [K]u -[K]d (2-30)
[K ]的对角线元素表示在这一位置发生单位位移时，这一位置所发生的弹性恢复力。同样，可对[ΔK ]的对角元素标准化得到结构的损伤检测指标：
j u d jj jj u
jj K K K θ?= (2-31)
θj 值最大的地方是最有可能发生损伤的位置。
2.3.3 NDSI
结构的振型和频率都携带着结构的损伤信息，因此，将两者组合起来，形成结构损伤
指标来识别结构的损伤状态，结构的损伤指标DSI 可以由下式求得[55]：
第二章 基于动力指纹的损伤识别方法研究 硕士研究生学位论文
16 {}{}di 2ui 2di ui f f ΦΦDSI i ??= (2-32)
将损伤指标归一化处理后得到结构的归一的损伤指标： ()
()∑==n
j j i i k DSI k DSI NDSI 1 (2-33)
其中m 是实测模态的数量， n 为损伤指标总数；f ui 和 f di 是结构在健康和损伤状态下的频率；{Φui }和{Φdi } 是结构在健康和损伤状态下第i 阶模态矢量。根据峰值法的损伤判别准则识别损伤的存在。
2.4基于轴向模态应变能的导管架海洋平台损伤定位
2.4.1 轴向模态应变能
对于任意一杆单元，杆件的长度为l 0，结构无损伤及有损伤时杆件变形后的长度l 1、l 2，杆件轴向长度的变化量分别为：
1020==12l l l l l l ΔΔ????? (2-34)
无损伤和有损伤时杆件的轴向应变分别为： 1020//12l l l l εΔεΔ==??? (2-35)
设结构无损伤和有损伤时杆件的应变比能分别为U 1，U 2（以下称为应变能），由能量原
理得[56]：
211
222
1=21=2U E U E εε??????? (2-36)
至此，得到应变比能差的公式为：
ΔU＝U 1-U 2 (2-37)
根据峰值点的损伤判别准则，当ΔU 出现明显的峰值的时候，表明该处杆件是最有可能出现损伤的杆件。
2.4.2 数值算例
图2.1为由ANSYS 建立的导管架型海洋平台模型。单元类型导管架为PIPE16、甲板为SHELL63。模型总高2m ，主导管底端跨度1.2m 、顶端跨0.4m ；甲板60m m×60mm ，厚5mm 。钢材密度为7.85×103kg / m 3，弹性摸量为2.07×1011N/m 2。本文以弹性模量的降低来模拟损伤，模型具体尺寸见表2-1。模型的边界条件为主腿底部固接。 在进行损伤模拟