海洋平台結構模態分析與損傷檢測

海洋平台是海洋油氣資源開發所必不可少的重要基礎設施。其結構複雜、體積龐大、造價昂貴，所處環境複雜嚴酷，一旦破壞，損失巨大。海洋平台結構的安全檢測/監測是及時發現結構損傷以避免重大事故的重要技術手段。近年來，基於振動響應的結構整體動力檢測技術成為國內外研究的熱點。該類技術利用結構動力響應數據識別結構的動力特徵參數，進而確定其整體安全狀況。40 余年來，國內外專家學者開展了卓有成效的研究工作，但總體上該類技術還處於實驗室驗證階段。其根本原因在於該類技術涉及結構振動響應測試、信號處理、模態參數識別、模型修正以及損傷檢測等眾多技術環節，尤其在面對海洋平台激勵信息未知、量測雜訊影響以及實測信息不完備等技術挑戰時缺少有效的技術手段。

《海洋平台結構模態分析與損傷檢測》作者自20 世紀 90 年代開始從事海洋平台模態分析與安全檢測/監測方面的研究工作，在基於振動響應的結構模態參數識別及安全檢測/監測方面取得了較為系統的研究成果。在此基礎上，結合國內外該方面相關研究成果，形成《海洋平台結構模態分析與損傷檢測》。其主要內容反映了海洋平台結構振動響應信號分析、模態參數識別、信息不完備處理以及模型修正與損傷檢測技術等方面的最新研究進展，具體包括：

（1）海洋平台結構實測振動響應是攜帶信息的、隨時間或空間變化的物理量，是信息的載體與表現形式。然而，海洋平台實測振動響應通常為有限長的非周期信號，導致傳統傅里葉方法因固定解析度問題而造成漏頻問題。其他技術如小波方法等在應用到海洋工程結構時，也無法迴避周期性假設、固定解析度導致的漏頻等問題，亟需發展更為有效、可靠的信號處理方法。本書介紹了所提出的基於狀態空間模型的信號分解新方法（Prony-SS方法）以及在此基礎上發展的一種新的實測信號時頻分析方法-STPT-SS方法。該方法的魯棒性得到顯著提升。能夠為海洋工程結構實測振動響應信號分析提供數值穩定性更好的技術手段。

（2）模態分析是獲取海洋平台結構動力模態參數的主要技術途徑。但是，現有技術往往僅關注模態參數的識別精度，而忽略不同模態參數識別方法因數學模型或模型求解演算法不同而產生的數值條件數及穩定性差異，進而導致在數學模型或參數選取不當時嚴重影響模態參數的識別精度。本書系統研究了確定性以及隨機性模態參數識別方法，包括多參考點復指數方法、特徵系統實現演算法、輔助變數方法、隨機子空間方法等，分析了各種方法在處理實際問題時的數值條件數及穩定性差異。進而提出了基於模型定階與信號消噪的模態參數識別新技術，明確了輔助變數方法和隨機子空間方法在數值條件上的優劣，從理論上證實了數據驅動的隨機子空間方法優於協方差驅動的隨機子空間方法。為更為科學地確定模型階次、降低量測雜訊對模態參數識別精度的影響以及獲得穩定的數值求解結果提供理論指導。

（3）實際海洋平台結構振動測試時，由於受到水深等條件的限制，感測器數量一般遠小於結構有限元模型的自由度，尤其在平台結構激勵力能量有限時，實測模態不僅在空間上不完備，而且在模態階次上信息缺失嚴重，導致海洋平台結構損傷識別經常產生誤判。《海洋平台結構模態分析與損傷檢測》不僅介紹所發展的感測器位置分階次優化技術以及模態振型直接擴展技術；同時，發展了能夠處理實測模態空間不完備問題的結構損傷識別方法，包括所提出的交叉模型交叉模態方法、模態應變能分解法，以及最近新發展的基於傳統模態應變能的改進演算法，為海洋平台結構整體動力檢測提供更為有效的損傷識別技術。在工程應用方面，進行了人工激勵、波浪激勵和冰激激勵下的海洋平台振動測試，檢驗了海洋平台整體動力檢測技術的可行性和有效性，推動了整體動力檢測技術的工程化應用進程。

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《海洋平台結構模態分析與損傷檢測》

目錄

前言

第1章 緒論

第2章 向量與矩陣

第3章 有限單元法

第4章 結構動力分析基礎理論

第5章 結構振動響應信號分析方法

第6章 基於模型定階與信號消噪的確定性模態分析方法

第7章 隨機性模態參數識別方法

第8章 感測器優化配置及信息不完備處理技術

第9章 海洋平台結構有限元模型修正方法

第10章 基於模態應變能的結構損傷定位方法

第11章 含阻尼結構系統的損傷識別方法

第12章 海洋平台現場振動檢測

本文摘編自李華軍, 劉福順, 王樹青著《海洋平台結構模態分析與損傷檢測》（責任編輯：劉寶莉）。

海洋平台結構模態分析與損傷檢測

李華軍, 劉福順, 王樹青 著

責任編輯：劉寶莉

北京：科學出版社 2017.02

ISBN 978-7-03-051683-1

海洋平台是海洋油氣資源開發的重要設施。其結構複雜、體積龐大、造價昂貴，所處環境複雜嚴酷，一旦破壞，損失巨大。海洋平台運行維護中的結構健康檢測至關重要。《海洋平台結構模態分析與損傷檢測》針對基於結構振動響應的整體動力檢測方法中的理論與技術難題，融合國內外的相關研究成果，重點介紹海洋平台結構振動信號處理、模態識別、模型修正及損傷檢測等方面的最新研究進展。

（本期編輯：安 靜）

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