任 鵬， 周 智,， 武文華， 歐進(jìn)萍

(1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024； 2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；3. 大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

基于應(yīng)變響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特征的海洋立管損傷診斷方法

任 鵬1， 周 智1,2， 武文華3， 歐進(jìn)萍2

(1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024； 2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；3. 大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

考慮海洋立管的實(shí)際服役環(huán)境和現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，發(fā)展一種基于應(yīng)變響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特征的損傷診斷方法。推導(dǎo)以應(yīng)變測(cè)量單元為基礎(chǔ)的細(xì)長(zhǎng)梁式結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)與結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的映射關(guān)系，提出連續(xù)測(cè)試數(shù)據(jù)的均方根應(yīng)變作為海洋立管的損傷特征參量。針對(duì)損傷程度較小或量測(cè)噪聲影響較大可能引起的損傷誤判，根據(jù)小波多分辨率分析理論，利用小波去噪和分解處理該損傷特征參量的空間域數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地?fù)p傷定位。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了某張力腿式平臺(tái)頂部張緊式立管的數(shù)值模擬；依據(jù)損傷診斷策略對(duì)假定布設(shè)應(yīng)變傳感器的上部500個(gè)應(yīng)變測(cè)量單元分析得到上述損傷特征參量。結(jié)果表明：該方法對(duì)立管局部剛度下降進(jìn)行了有效的識(shí)別，對(duì)單、多處損傷的損傷判別和定位的效果良好，損傷診斷效果受量測(cè)噪聲以及服役工況和頂張力等因素變化的影響較小，可為相關(guān)工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供理論和技術(shù)支持。

海洋立管；損傷診斷；應(yīng)變響應(yīng)；統(tǒng)計(jì)特征；小波多分辨率分析

海洋立管是海洋油氣鉆探和輸送的管線，是海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵功能設(shè)施。出于減少失效風(fēng)險(xiǎn)和增加生產(chǎn)效益的目的，國(guó)際各大油氣公司均非常重視對(duì)海洋立管、尤其是惡劣服役環(huán)境下的深海立管進(jìn)行全壽命服役期間的完整性管理。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)為立管完整性管理實(shí)時(shí)提供荷載、響應(yīng)和損傷的原位測(cè)試數(shù)據(jù)，為立管生產(chǎn)作業(yè)和風(fēng)險(xiǎn)分析提供及時(shí)反饋[1-2]。近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)性與可靠性的提升，從英國(guó)健康與安全管理部門(mén)出臺(tái)柔性立管完整性監(jiān)測(cè)指導(dǎo)[3]，到歐美各大石油公司在墨西哥灣、北海、西非以及巴西臨近海域進(jìn)行的大量實(shí)踐，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已在立管系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和安全預(yù)警方面取得了應(yīng)用。其中，應(yīng)變傳感技術(shù)的(準(zhǔn))分布式、各測(cè)點(diǎn)同步、在線連續(xù)測(cè)試以及直接關(guān)聯(lián)疲勞累積等優(yōu)勢(shì)，使其逐漸成為立管監(jiān)測(cè)的首選：圖1(a)為基于線性差動(dòng)位移計(jì)(Linear Variable Differential Transformer,LVDT)的西非Akpo區(qū)塊立管應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]；圖1(b)為基于準(zhǔn)分布式光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)的墨西哥灣Tahiti區(qū)塊應(yīng)變/曲率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]。然而，作為健康監(jiān)測(cè)的目的之一，實(shí)現(xiàn)海洋立管與陸上結(jié)構(gòu)目標(biāo)一致的損傷判別與定位還比較困難，難以對(duì)其進(jìn)行全壽命的安全評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)[6]。缺乏面向?qū)嶋H服役環(huán)境以及匹配現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)水平的損傷診斷方法是重要的原因，且相關(guān)研究報(bào)道比較少見(jiàn)。

圖1 海洋立管應(yīng)變監(jiān)測(cè)的工程實(shí)例Fig.1 Engineering examples of strain monitoring for risers

應(yīng)變是對(duì)結(jié)構(gòu)局部損傷演化十分敏感的物理量，結(jié)合應(yīng)變傳感技術(shù)的損傷診斷方法是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。GLISIC等[7]探討了基于長(zhǎng)標(biāo)距光纖光柵和布里淵分布式光纖傳感器獲取應(yīng)變分布從而進(jìn)行損傷探測(cè)的有效性并且實(shí)施了埋地管道監(jiān)測(cè)。作為結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的固有屬性而不依賴于荷載因素，與位移模態(tài)一樣，應(yīng)變模態(tài)是同一變形能平衡狀態(tài)的另一種表現(xiàn)形式，同時(shí)還可作為高敏感性的損傷特征參量。李德葆等[8-9]系統(tǒng)地闡明了應(yīng)變模態(tài)與位移模態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)應(yīng)變模態(tài)分析方法。吳智深等[10-11]考慮長(zhǎng)標(biāo)距光纖光柵獲取應(yīng)變響應(yīng)并推導(dǎo)出長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變模態(tài)向量及其衍生損傷指標(biāo)，發(fā)展了基于實(shí)測(cè)應(yīng)變響應(yīng)的細(xì)長(zhǎng)梁式結(jié)構(gòu)損傷診斷方法。在油氣管道方面，提出了相關(guān)的損傷診斷方法，主要包括：管道應(yīng)變模態(tài)變化率的無(wú)損檢測(cè)法[12]、管道腐蝕檢測(cè)的應(yīng)變敏度比法[13-14]與基于應(yīng)變模態(tài)差和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道損傷診斷[15]；盡管上述方法均表現(xiàn)出對(duì)管道結(jié)構(gòu)局部損傷的高敏感性，但尚未考慮如何以及能否通過(guò)實(shí)測(cè)響應(yīng)獲取上述損傷特征參量。

海洋立管的實(shí)際服役環(huán)境比起陸地管道更為復(fù)雜，海洋環(huán)境風(fēng)、浪和海流等形成的外部激勵(lì)通常作為平穩(wěn)窄帶隨機(jī)過(guò)程，這與一般模態(tài)參數(shù)識(shí)別所需的白噪聲激勵(lì)條件相矛盾。另外，上部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、頂部張緊力和海床接觸等邊界條件的時(shí)變性以及立管作為細(xì)長(zhǎng)柔性結(jié)構(gòu)的幾何非線性造成模態(tài)類(lèi)損傷特征參量獲取的困難。因此，本文從現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠獲取的應(yīng)變響應(yīng)本身出發(fā)，將連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征應(yīng)用在損傷診斷方法中。建立均方根應(yīng)變與結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的映射關(guān)系，將其作為海洋立管的損傷特征參量進(jìn)行損傷的判別和定位。該方法亦能夠避免由于立管結(jié)構(gòu)模型不確定因素給損傷診斷帶來(lái)的影響。

小損傷與量測(cè)噪聲導(dǎo)致不顯著的損傷特征，文中根據(jù)小波多分辨率分析及其去噪原理，提取損傷特征參量的突變成分用以損傷定位。模擬某張力腿式平臺(tái)頂部張緊式生產(chǎn)立管的應(yīng)變響應(yīng)，分別針對(duì)兩類(lèi)服役工況進(jìn)行了單處和多處損傷的診斷，驗(yàn)證了本文提出方法的有效性。

1 基于應(yīng)變響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特征的損傷診斷方法

1.1 應(yīng)變響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)梁式結(jié)構(gòu)，離散單元的劃分一般與應(yīng)變傳感器的測(cè)量標(biāo)距相對(duì)應(yīng)。文中稱此類(lèi)依照幾何標(biāo)距規(guī)定其尺度的單元為應(yīng)變測(cè)量單元。

根據(jù)模態(tài)疊加原理，n自由度彈性結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移u

(1)

由應(yīng)變與位移的幾何關(guān)系，得到

(2)

由模態(tài)解耦后的頻域分析可知

(3)

模態(tài)解耦后的時(shí)域分析可得杜哈梅爾卷積積分

(4)

(5)

將式(4)代入式(5)，得到

(6)

式(6)的具體推導(dǎo)過(guò)程參考文獻(xiàn)[16]，式中RPrs(τ)為廣義力的自、互相關(guān)函數(shù)，θ1和θ2為虛時(shí)間變量。

上述平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)兩對(duì)傅里葉變換，包括：功率譜密度Sε(ω)與自相關(guān)函數(shù)Rε(τ)、頻率響應(yīng)函數(shù)Hr(ω)與脈沖響應(yīng)函數(shù)hr(t)。將式(6)代入傅里葉變換對(duì)(詳見(jiàn)文獻(xiàn)[16])，得到

(7)

針對(duì)第j個(gè)應(yīng)變測(cè)量單元的響應(yīng)自譜密度，式(7)變?yōu)?/p>

(8)

利用上式可將各階模態(tài)的獨(dú)立貢獻(xiàn)和耦合影響分開(kāi)

(9)

(10)

1.2 損傷特征參量

對(duì)于低阻尼體系，根據(jù)模態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)振型互相獨(dú)立的性質(zhì)，各階模態(tài)的響應(yīng)是統(tǒng)計(jì)無(wú)關(guān)的，耦合影響可以忽略不計(jì)，此時(shí)式(9)和式(10)等式右邊交叉項(xiàng)為零[16]。

如響應(yīng)為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，如果滿足以下兩項(xiàng)識(shí)別條件，式(9)可用于峰值提取法識(shí)別模態(tài)參數(shù)[17]：

二為隨機(jī)激勵(lì)為寬頻帶的近似白噪聲；對(duì)于激勵(lì)卓越周期處存在峰值的輸入功率譜，認(rèn)為其能量峰值不能與結(jié)構(gòu)共振范圍的峰值相比；

驗(yàn)證上述條件的方法：結(jié)構(gòu)響應(yīng)點(diǎn)自譜密度峰值曲線，與擬識(shí)別第r階振型形狀處于同一相位或相差180°，否則該峰值曲線對(duì)應(yīng)激勵(lì)能量峰值。

(11)

式中:SPk(ω)為結(jié)構(gòu)離散作用點(diǎn)的海洋環(huán)境荷載譜，如荷載譜已知，可用數(shù)值積分求解應(yīng)變響應(yīng)方差。另一方面，應(yīng)變響應(yīng)方差也可通過(guò)立管應(yīng)變測(cè)量單元實(shí)測(cè)獲取[18]；則上式可仿照隱式的靜態(tài)問(wèn)題，即

(12)

基于上述推導(dǎo)過(guò)程，定義應(yīng)變測(cè)量單元j無(wú)量綱均方根應(yīng)變?chǔ)姚舑(Root-Mean-Squared Strain, RMSS)為海洋立管的結(jié)構(gòu)損傷特征參量。該損傷特征參量具有如下特性：

1)當(dāng)海洋環(huán)境荷載作為平穩(wěn)(或分段平穩(wěn))隨機(jī)過(guò)程處理時(shí)，立管振動(dòng)響應(yīng)中包含較多反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的信息。式(11)建立的RMSS與結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的映射關(guān)系中，應(yīng)變模態(tài)振型系數(shù)最為敏感。

2)除海洋環(huán)境荷載外，RMSS僅與某一應(yīng)變測(cè)量單元j的應(yīng)變、位移模態(tài)振型系數(shù)有關(guān)；應(yīng)變傳感器布置于易損區(qū)域即可，不用獲取全局性的模態(tài)振型。

3)上部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、頂部張緊力和海床接觸等邊界條件改變導(dǎo)致立管軸向應(yīng)變等發(fā)生變化，可通過(guò)剔除連續(xù)實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均趨勢(shì)，保留應(yīng)變響應(yīng)的脈動(dòng)分量，從而忽略立管結(jié)構(gòu)模型不確定因素給損傷診斷帶來(lái)的影響。

4)根據(jù)式(11)，RMSS的獲取與無(wú)損傷狀態(tài)的結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)模型無(wú)關(guān)，且適合在線處理。

1.3 基于小波多分辨率分析的改進(jìn)

1988年，MALLAT在構(gòu)造正交小波基的工作中提出了多分辨率(尺度)分析的概念，其框架為基于同一空間不同尺度分析信號(hào)。對(duì)滿足一定條件的空間集合{Vl,l∈Z}存在尺度函數(shù)序列αl構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)正交基，通過(guò)構(gòu)建正交于尺度空間的小波空間{Wl,l∈Z}形成標(biāo)準(zhǔn)正交小波基函數(shù)βl。由于空間數(shù)目為無(wú)限可數(shù)的，因此多分辨率分析使得所感興趣的信號(hào)特征即使在某一分辨率檢測(cè)不到，在另一個(gè)分辨率卻很容易觀察處理，使得小波變換成為真正的時(shí)頻局部化方法。

在MALLAT塔式算法中，使用分別等價(jià)于低通和高通濾波器的尺度和小波濾波系數(shù)，從最高分辨率的尺度空間開(kāi)始，根據(jù)雙尺度方程依次構(gòu)造下一尺度的尺度函數(shù)和小波函數(shù)。該算法使得構(gòu)造出的尺度基函數(shù)具有信號(hào)平均的成分，其對(duì)應(yīng)的小波變換系數(shù)稱為近似系數(shù)Wla；小波基函數(shù)具有信號(hào)變化的成分，其對(duì)應(yīng)的小波變換系數(shù)稱為細(xì)節(jié)系數(shù)Wld。從而原始信號(hào)s經(jīng)l尺度分解為小波近似成分a和小波細(xì)節(jié)成分d

(13)

本文涉及小波多分辨率分析以下三方面的應(yīng)用

1)信號(hào)平穩(wěn)處理：當(dāng)獲取應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均變化較大時(shí)，采用小尺度范圍進(jìn)行小波分解和重構(gòu)，使得響應(yīng)信號(hào)為脈動(dòng)信號(hào)而趨于平穩(wěn)。

2)信號(hào)去噪：實(shí)測(cè)應(yīng)變響應(yīng)不可避免地受到量測(cè)噪聲的影響，同時(shí)RMSS本身作為響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特征也具有一定的波動(dòng)性。對(duì)于程度較小的損傷來(lái)說(shuō)，可能不具有較為明顯的突變；此時(shí)認(rèn)為損傷引起的空間域信號(hào)變化是振動(dòng)系統(tǒng)物理參數(shù)變化的表征，屬于有用信號(hào)，可在某一尺度將其成分體現(xiàn)出來(lái)，所以采用分層閾值去噪方法，將無(wú)用的噪聲信號(hào)濾除，保留包含損傷的信號(hào)成分。

(14)

3)信號(hào)細(xì)節(jié)分析：對(duì)損傷特征參量RMSS處理后的空間域信號(hào)進(jìn)行小波分解，提取其細(xì)節(jié)成分，從而放大現(xiàn)有信號(hào)的突變。

1.4 損傷診斷策略

1)依據(jù)應(yīng)變傳感器布置獲取應(yīng)變測(cè)量單元的應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)；由于海洋立管同時(shí)存在彎曲和拉伸變形，應(yīng)變傳感器一般沿管壁環(huán)向布置，即采用90°或120°夾角方向的布設(shè)方案，如圖2所示；管壁應(yīng)變還須考慮雙向應(yīng)力狀態(tài)橫向效應(yīng)的修正，具體換算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20-21]，不重復(fù)贅述；

圖2 應(yīng)變傳感器沿管道環(huán)向布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of hoop-deployed strain sensors

2)提取連續(xù)測(cè)量的平穩(wěn)時(shí)間段應(yīng)變響應(yīng)；如響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)平均變化較大，采用小波分析進(jìn)行處理，剔除統(tǒng)計(jì)平均趨勢(shì)，得到響應(yīng)的脈動(dòng)分量；

3)直接計(jì)算各應(yīng)變測(cè)量單元上述應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)的功率譜密度Sεj(ω)；

5)通過(guò)RMSS離散點(diǎn)連接曲線的突變處判別損傷的出現(xiàn)和確定損傷的位置；

6)當(dāng)損傷程度較小或量測(cè)噪聲影響較大造成難以人為觀察突變時(shí)，采用小波去噪的方法，即通過(guò)小波分解、對(duì)分解后的細(xì)節(jié)系數(shù)進(jìn)行閾值量化處理和重構(gòu)等步驟保留包含損傷特征的空間域信號(hào)RMSSnew；此時(shí)式(14)中相關(guān)參數(shù)l,m和λ需重點(diǎn)考慮；

7)對(duì)小波去噪處理后的RMSS空間域信號(hào)分解，利用其細(xì)節(jié)成分進(jìn)行損傷定位。

2 數(shù)值案例

2.1 立管模型與模擬工況

目標(biāo)立管為南海海域某張力腿式平臺(tái)(TLP)頂部張緊式生產(chǎn)立管(Top Tensioned Riser,TTR)[22]，立管模型參數(shù)如表1所示。根據(jù)典型TTR立管的設(shè)計(jì)分析結(jié)果，目標(biāo)立管上部受波浪和上部浮體運(yùn)動(dòng)影響較大可視為易損區(qū)域。假設(shè)立管上部500 m布置標(biāo)距為1 m的應(yīng)變傳感器，并通過(guò)尺度為1 m的應(yīng)變測(cè)量單元獲取得到應(yīng)變響應(yīng)。

由于本文僅從損傷診斷方法的驗(yàn)證方面考慮，假設(shè)波浪和海流為同向來(lái)流，應(yīng)變傳感器布置于來(lái)流方向平面內(nèi)，獲取應(yīng)變響應(yīng)ε(t)，實(shí)際工況下依據(jù)圖2所示應(yīng)變傳感器布置及其各應(yīng)變換算關(guān)系，即可得到該主方向的ε(t)。TLP平臺(tái)與TTR立管的二維簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

表1 立管模型參數(shù)

圖3 TLP平臺(tái)及其TTR立管模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the TLP platform and its TTR riser

考慮有限元數(shù)值模擬所需環(huán)境荷載資料有限，應(yīng)盡量合理地設(shè)置TTR立管的服役工況。本文針對(duì)環(huán)境荷載和頂張力改變?cè)O(shè)置兩類(lèi)工況驗(yàn)證提出的損傷診斷策略。立管頂部張緊力分別設(shè)為400和1 000 kN。工況一中有義波高7.0 m，譜峰周期12.1 s；工況二有義波高13.8 m，譜峰周期16.1 s。拖拽力系數(shù)取1，慣性力系數(shù)取1.5。海流環(huán)境條件近似為表2。另外，假設(shè)上部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)xTLP主要由二階慢漂力引起，并作用在平面內(nèi)的縱蕩方向，慢漂周期為150 s。

表2 兩類(lèi)工況下的海流流速(m/s)

隨機(jī)波浪被視為脈動(dòng)隨機(jī)過(guò)程，具有各態(tài)歷經(jīng)性。不同海況的波浪頻譜(或稱能量譜)計(jì)算得到具有統(tǒng)計(jì)特性的有義波高和跨零周期(或譜峰周期)；選擇合適的波浪理論，如線性Airy波或Stokes五階波理論等，通過(guò)求得的波浪運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)，計(jì)算流場(chǎng)中水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)Morison公式可計(jì)算波浪對(duì)立管的環(huán)境荷載，如拖拽力和慣性力等。海流荷載計(jì)算方法同理。依據(jù)通用有限元軟件Abaqus提供的Aqua模塊進(jìn)行定義加載，進(jìn)而通過(guò)直接積分法模擬立管的動(dòng)力響應(yīng)。

2.2 結(jié)果分析

圖4 前兩階模態(tài)振型和功率譜峰值曲線的對(duì)比Fig.4 Comparisons of the first two mode shapes and peaks of PSDs

如圖4為海洋立管服役工況一前兩階模態(tài)振型與應(yīng)變測(cè)量單元(采用Abaqus的B21梁元模擬)響應(yīng)功率譜密度前兩階峰值曲線的無(wú)量綱對(duì)比?？梢钥闯觯捎诤Ｑ蟓h(huán)境荷載為窄帶隨機(jī)過(guò)程，立管結(jié)構(gòu)響應(yīng)受到激勵(lì)能量驅(qū)動(dòng)，難以識(shí)別出模態(tài)參數(shù)。因此，本文采用基于響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特性的RMSS進(jìn)行損傷判別與定位，并通過(guò)以下?lián)p傷狀態(tài)驗(yàn)證其損傷診斷效果。

圖5為根據(jù)第300號(hào)單元三種損傷狀態(tài)的100 s應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)得到的損傷特征參量RMSS。其中，圖5(a)為服役工況一，單元?jiǎng)偠认陆?0%；圖5(b)為服役工況改變，單元?jiǎng)偠热韵陆?0%；圖5(c)為服役工況二，單元質(zhì)量增加20%。可假定單元?jiǎng)偠认陆禐楣鼙诹鸭y造成，單元質(zhì)量增加由海生物附著引起。結(jié)果說(shuō)明：當(dāng)服役環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，只需采集一定時(shí)間段的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程或脈動(dòng)分量，即可使用RMSS進(jìn)行損傷診斷；該損傷特征參量對(duì)剛度改變非常敏感并且不受到質(zhì)量改變的影響，上述特性可以避免剛度和質(zhì)量同時(shí)變化造成的損傷誤判。

圖5 立管單處損傷狀態(tài)的損傷特征參量Fig.5 RMSS of the riser with a single damage

圖6 立管單處損傷10%的RMSSFig.6RMSSoftheriserwithasingledamageof10%圖7 RMSS的小波去噪Fig.7Waveletde-noisingofRMSS圖8 RMSS小波去噪后的細(xì)節(jié)分解Fig.8DetaildecompositionofRMSSafterwaveletde-noising

為進(jìn)一步驗(yàn)證提出方法的可行性，面向服役工況二，在第200、300和400號(hào)單元分別預(yù)設(shè)20%、10%和15%三處損傷；與此同時(shí)，對(duì)原應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)加入10%高斯白噪聲，作為量測(cè)噪聲的模擬。圖9(a)和(b)分別為未加入和加入噪聲后損傷診斷效果，可見(jiàn)不同RMSS值與損傷程度變化趨勢(shì)相同，但量測(cè)噪聲對(duì)損傷特征參量影響較大。因此，根據(jù)上述損傷診斷策略中f和g兩步，進(jìn)行小波去噪和分解，得到的RMSS改進(jìn)如圖10所示。本文提出的方法能夠由量測(cè)噪聲影響下的應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)海洋立管的多處損傷進(jìn)行定位。

圖9 立管多處損傷的RMSSFig.9RMSSoftheriserwithmultipledamages圖10 量測(cè)噪聲影響下立管多處損傷的RMSSFig.10RMSSoftheriserwithmultipledamagesunderGausswhitemeasurementnoises

3 結(jié) 論

本文面向海洋立管實(shí)際服役環(huán)境和現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，進(jìn)行了細(xì)長(zhǎng)梁式結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特征的理論推導(dǎo)，建立了應(yīng)變響應(yīng)與結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的映射關(guān)系，提出了應(yīng)變測(cè)量單元均方根應(yīng)變RMSS作為海洋立管的損傷特征參量；基于小波多分辨率分析對(duì)RMSS進(jìn)行了改進(jìn)，依據(jù)提出的損傷診斷策略實(shí)施例了目標(biāo)立管的數(shù)值驗(yàn)證。得到主要結(jié)論如下：

(1)針對(duì)布設(shè)了應(yīng)變傳感器的立管上部500個(gè)測(cè)量單元，單、多處損傷的損傷判別和定位的效果良好，RMSS的獲取無(wú)須考慮未損傷狀態(tài)的測(cè)試數(shù)據(jù)且適合在線處理。

(2)依據(jù)損傷診斷策略對(duì)模擬的立管局部剛度下降進(jìn)行了有效的識(shí)別，RMSS僅與應(yīng)變測(cè)量單元處的應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)相關(guān)。

(3)對(duì)損傷程度較小或量測(cè)噪聲影響較大的情況，可應(yīng)用小波多分辨率分析處理RMSS空間域數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地?fù)p傷定位，避免損傷誤判。

本文方法或可推廣應(yīng)用到承受脈動(dòng)激勵(lì)的柔性結(jié)構(gòu)，如索體、主桁架、高層建筑和輸電線塔等。

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Damagediagnosis strategy for offshore risers based on statistical features of strain responses

REN Peng1, ZHOU Zhi1,2, WU Wenhua3, OU Jinping2

(1. School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China；3.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Considering the service environment and the monitoring technology level of offshore risers, a damage diagnosis method was developed based on statistical characteristics of strain responses. A mapping relation between modal parameters and strain responses of a strain-measured element was derived for a beam-like structure. A root mean square strain based on a set of test data was proposed as the damage characteristic parameter of offshore risers. Aiming at a plamage misjudging due to a lower level of damage or a larger measurement noise, the data were processed based on the wavelet de-noising and decomposition. Furthermore, a TTR on a TLP was simulated to obtain the damage characteristic parameter through analyzing 500 strain-measured elements at the top of the TTR. The results showed that the method can be used to identify the local stiffness dropping of the TTR effectively althrough the damage diagnosis is interfered by the measurement noise and other uncertain factors; the damage diagnosis strategy can provide a support for structural health monitoring both theoretically and technically.

offshore riser; damage diagnosis; strain response; statistical characteristics; wavelet multi-resolution

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2011CB013705)；國(guó)家自然科學(xué)基金自由申請(qǐng)項(xiàng)目(15572072)

2015-09-07 修改稿收到日期：2016-12-31

任鵬 男，博士生，1984年12月生

周智 男，博士，教授，1973年7月生 E-mail:zhouzhi@dlut.edu.cn

TU311.3；TE58

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.01.004