基于結構振動的海洋平臺整體無損檢測方法技術

本發明專利技術涉及一種海洋平臺無損檢測方法，是一種基于結構振動的海洋平臺整體無損檢測方法。包括以下步驟，Ｓ１．在海洋平臺的水上部分選取若干結點，基于模態置信度矩陣準則，并通過二重結構編碼遺傳算法，最終確定傳感器的安裝位置；Ｓ２．信號采集，海上有風浪時，可采集環境條件引起的振動響應信號；如果海上風平浪靜，采用人工激勵方法使海洋平臺產生振動并采集該振動響應信號；Ｓ３．采用改進的ＣＨＣ遺傳算法對采集到的數據進行分析處理，完成損傷診斷。本發明專利技術進行海洋平臺無損檢測，傳感器數量少，水下結構不需要安裝傳感器，因此，檢測工作量和工作難度小，抗噪聲干擾能力強，方法的魯邦性好。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種海洋平臺無損檢測方法，特別是涉及一種基于結構振動的 海洋平臺整體無損檢測方法。
技術介紹
海洋平臺，工作環境惡劣，易發生正常的疲勞破壞和意外的事故破壞，因 此需定期對其結構進行無損安全檢測。海洋平臺的主體結構是導管架，因此海 洋平臺的安全檢測主要是檢測導管架有無損傷(裂紋)發生，但是導管架的大 部分結構在水下，水面上只有很小的一部分，由于腐蝕和結構承載特點，海洋 平臺的導管架破壞主要發生在水下部分，因此，海洋平臺的安全檢測主要是針 對導管架的水下部分進行的，這就造成檢測難度大，成本高的問題。不僅如此， 由于無法判斷海洋平臺是否已有損傷發生，以及發生損傷的位置，往往要對一 個龐大的海洋平臺結構進行全面的無損檢測，但是很難實現的。目前，海洋平臺的定期安全檢測主要采取目測和局部無損檢測的方法，如 水下超聲波探傷和水下射線探傷，順序地檢測每一條焊縫。采用這些局部的無 損檢測方法，必須動用潛水員，專用儀器設備和水面工作船，且工作量大，檢 測周期長， 一次的檢測成本較高。并且，水下檢測要求潛水員要掌握無損檢測 技術，不僅檢測周期長，且檢測結果取決于操作人員的技術水平，漏檢和誤檢 的概率較大。結構損傷識別或診斷方法是一種無損檢測方法，該技術也屬于振動檢測方法，主要是通過識別結構的物理參數(剛度)來判斷結構是否發生損傷，采用 此方法進行結構損傷識別或診斷時需要在結構的每個結點安裝三個傳感器，通 過分析這些傳感器的振動信號來識別結構的物理參數，該方法主要用于陸地上 的結構，如用于海洋平臺則需要在平臺建造階段將傳感器封裝就位，并不再拆 卸。因此，傳感器不能反復使用，不僅成本高，且給平臺的建造安裝造成困難， 延長了平臺建造和安裝周期。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是解決海洋平臺整體無損檢測難度大，成本高 的問題。為了解決上述技術問題，本專利技術所采用的技術方案是提供一種基于結構振 動的海洋平臺整體無損檢測方法，包括以下步驟51、 傳感器的優化配置，在海洋平臺的水上部分選取若干結點并經過尋優 計算最終確定傳感器的安裝位置，將若干壓電式加速度傳感器固定在所述安裝 位置；52、 信號的采集，海上有風浪時，可采集環境條件引起的振動響應信號， 每個數據段的采集長度大于5分鐘，數據段的采集數量大于3;如果海上風平 浪靜，采用人工激勵方法使海洋平臺產生振動并采集該振動響應信號；53、 對采集到的數據進行分析處理，完成損傷診斷； 其中，Sl步驟中，傳感器優化配置中的尋優計算基于模態置信度矩陣準則，并通 過二重結構編碼遺傳算法進行；S3步驟中，對采集到的數據處理采用改進的CHC遺傳算法。上述方案中，步驟S1中模態置信度矩陣準則的計算公式為 式中MACij表示相應兩模態向量的交角狀況， A和(Dj別為第i階和第j階不完備模態向量。進一步地，二重結構編碼遺傳算法在搜索進化的過程中用適應度來評估串或解群的優劣，適應度滿足以下公式-F"(/(x)) = 1 _ /(x) /(x)=ma^g)(/^)式中X表示傳感器配置方案，f(X)表示不同傳感器配置方案引起的模態向量之間的交角變量，maxMAc表示不同階模態向量之間交角的最大值，i、 j表示模態向量階數。步驟S3中改進的CHC算法包括選擇算法改進、交叉算法改進和變異算法 改進。所述選擇算法改進是指簡化了跨世代精英選擇步驟，將上世代的種群與交 叉產生的個體群混合起來，從中選取較優的個體，即將父代與子代按適應度大 小排序后，選出適應度大的個體作為新一代種群。所述交叉算法改進是指采用多點交叉的方法，根據設定的交叉概率，隨機 地從種群中挑選個體進行交叉操作，交叉位置可無重復隨機地選擇，在交叉點 之間的變量間續地相互交換，產生兩個新的后代，但在第一位變量與第一個交叉點之間的一段不作交換。所述變異算法改進是指在進化初期不進行變異操作，只有當海明距離d<0 吋，種群才進行變異，根據事先設定的變異概率，隨機選出相應位置進行變異， 并從當前種群中按適應度從大到小選取合適的個體與變異后的個體組合形成 新的子代，當父代種群中個體相同數超過某一規定閥值時，則令種群中部分個 體初始化，初始化方法同CHC算法。本專利技術，基于模態置信度矩陣準則，并通過二重結構編碼遺傳算法對傳感 器進行優化配置，傳感器安裝在平臺的水上部分，采用的儀器也是常規的振動 測試儀器，整個檢測工作可在平臺甲板上進行，不需要作業船只，大大減小了檢測的工作量和作業難度。通過ICHC遺傳算法分析結構的振動信號，從而判 斷結構是否發生損傷，如果發生損傷，則診斷出損傷的具體位置，并給出損傷 程度的估計。這樣，平臺管理人員就可以根據該方法給出的檢測信息來決定是 否需要作進一步的局部無損檢測，或確定進一步進行局部無損檢測的具體位 置。從而大大降低了海洋平臺安全檢測的盲目性，大大減少了局部無損檢測的 工作量。本專利技術實現了少量傳感器的振動信息來診斷結構損傷，與現有最相近 的實現方案相比，需要的傳感器數量少，無需在海洋平臺的水下部分安裝傳感 器，工作量小，工作難度降低。 附圖說明圖l為本專利技術的結構示意圖2為采用本專利技術方法進行檢測時傳感器配置圖； 圖3為海洋平臺損傷檢測結果圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作出詳細的說明。本專利技術提出的方法是，其關鍵 技術在于基于二重結構編碼遺傳算法的傳感器優化配置方法和基于振動信號 處理的ICHC遺傳算法識別結構變異并診斷損傷。通過二重結構編碼遺傳算法 對傳感器的位置進行分析，不僅解決了水下安裝傳感器的問題，而且使傳感器 的數量大大減少。本專利技術包括以下步驟。51、 傳感器的優化配置，在海洋平臺的水上部分選取若干結點并經過尋優 計算最終確定傳感器的安裝位置，將若干壓電式加速度傳感器固定在所述安裝位置；52、 信號的采集，海上有風浪時，可采集環境條件引起的振動響應信號，每個數據段的采集長度大于5分鐘，數據段的采集數量大于3;如果海上風平浪靜，采用人工激勵方法，比如使用船拉，拉力大小根據具體平臺計算，拉力控制采用限力器，使海洋平臺產生振動并采集該振動響應信號；53、 對采集到的數據進行分析處理，完成損傷診斷；在S1步驟中，傳感器的優化配置是指根據給定的傳感器數量(可根據用 戶的條件，傳感器的多少、測試儀器的能力等確定)，基于模態置信度(Modal Assurance Criterion,縮寫為MAC)矩陣準則，通過二重結構編碼遺傳算法對給 定數量的傳感器進行優化配置，確定傳感器安裝的具體位置。下面再進一步地 具體描述如下1、 MAC矩陣準則由結構動力學原理可知，結構完備的模態向量是一組正交向量，但實際工程中，由于可測自由度的限制，很難得到完備的模態向量，同時，由于噪聲的 影響，實際得到的非完備模態向量是不滿足正交條件的，在極端的情況下，還 會因為模態向量間的空間交角過小而在識別過程中丟失模態。因此，在選擇測 點時有必要使量測的模態向量保持較大的空間交角，從而盡可能地把結構的動 力特性最大限度地保留下來。模態置信度(Modal Assurance Criterion,縮寫為MAC)矩陣是評價模態向量空 間交角的一個很好的工具，其表達公式為，jl^4Cu ^ :::」;一 (1)式中-MACij表示相應兩模態向本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于結構振動的海洋平臺整體無損檢測方法，其特征在于包括以下步驟：　Ｓ１、傳感器的優化配置，在海洋平臺的水上部分選取若干結點并經過尋優計算最終確定傳感器的安裝位置，將若干壓電式加速度傳感器固定在所述安裝位置；　Ｓ２、信號的采集，海 上有風浪時，可采集環境條件引起的振動響應信號，每個數據段的采集長度大于５分鐘，數據段的采集數量大于３；如果海上風平浪靜，采用人工激勵方法使海洋平臺產生振動并采集該振動響應信號；　Ｓ３、對采集到的數據進行分析處理，完成損傷診斷；　 其中，　Ｓ１步驟中，傳感器優化配置中的尋優計算基于模態置信度矩陣準則，并通過二重結構編碼遺傳算法進行；　Ｓ３步驟中，對采集到的數據處理采用改進的ＣＨＣ遺傳算法。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃維平，劉娟，王曉燕，
申請(專利權)人：中國海洋大學，
類型：發明
國別省市：95[中國|青島]