多轴载荷环境下海洋平台结构件疲劳裂纹在线监测方法和演化规律研究

The offshore platform is always facing the complex and uncertain environment. Under this marine environment, the structure parts will generate fatigue crack. Seriously, it is likely to leads to the failure of the structure parts. With this background, according to the problem that it is hard to determine the relationship between the evolution rule of test samples and that of actual structure, this project proposes a multi axial loading expriment based on the statistical probability distribution model of ocean winds-waves-flows. It is likely to explore the evolution rule of the structure fatigue crack. In the acoustic emission signal processing, this project construct a noval method based on the multi fractal theory, the stochastic resonance theory and the complex network theory. It is likely to realize the accurate extraction of crack signal, the noise reduction of crack signal and the recognition of crack state. On the basis of the conceive, we propose the fatigue crack online monitoring and recognition method. It is possible to provide the state data and the evolution rule model for platform maintenance.

由于海洋平台在海洋环境中面临着复杂多变的恶劣环境，在交变应力载荷的作用下结构件会产生疲劳损伤，严重时会产生灾难性后果。在这样的背景下，针对声发射在线监测技术中试验样件与实际结构件裂纹扩展规律难以确定相关关系的问题，项目提出基于海洋风浪流统计概率分布模型的多轴载荷试验方案，探索多轴载荷作用下疲劳裂纹的扩展规律；在声发射信号处理方面，项目提出基于多重分形理论、随机共振理论和复杂网络理论构建新颖的声发射信号处理方法，实现裂纹信号的准确提取、裂纹信号降噪处理和裂纹状态识别，最终提出疲劳裂纹在线监测和识别方法，从而为海洋平台结构件的维护维修提供状态数据和裂纹演化模型。

海洋平台在服役过程中受到复杂载荷的作用，关键焊缝处易发生疲劳裂纹，采用声发射阵列传感器对危险裂纹进行监测，可以对疲劳裂纹进行定位和评估，从而为海洋平台健康运行和视情维护提供数据支撑。通过理论推导、模拟仿真和实验验证的方式，开展了声发射传播规律和疲劳裂纹状态的基础研究，提出了一系列裂纹定位和评估的方法，开发了声发射裂纹检测和实验的软硬件系统。.通过波动方程求解，发现声发射以导波形态传播，揭示了波动传播的频散特性和幅值特性，为阵列传感器布置和信号处理等提供理论基础；在此基础之上，采用短时傅里叶分析声发射信号，从时频谱脊线走势判断信号的模态；采用信号的网络拓扑特征作为参数，进行自动信号模态识别，有效解决采样频率、线性噪声和放大倍数等因素的影响；为了提取微弱声发射信号，提出了双稳态随机共振信号增强方法，并通过遗传算法对随机共振模型参数进行优化；提出基于可视图建模的波达时刻提取方法，发现各模态信号到达时刻相对应的节点度数会产生突变，有效避免了传统方法受时域和频域阈值影响的缺点，从根本上保障了定位的准确性；之后，通过对阵列传感器信号进行波束形成，获得疲劳裂纹的位置。为了解决传统波束形成遍历搜索运算时间长的问题，提出了智群算法改进的波束形成方法，有效提高了裂纹定位的效率；提出了时间反转裂纹定位方法和小波能谱系数裂纹评估方法，实现了疲劳裂纹定位和评估。.在项目资助下，开发了多通道切换模块、疲劳实验装置和数据采集软件等，为后续理论应用于实践提供了基础。共形成成果24项，发表科技论文9篇，获得及申请发明专利10项，获得软件著作权2项。研究成果得到烟台中集来福士海洋工程有限公司的认可，通过关键应用技术的攻关，有望将理论成果应用于平台监测中。