融合灵敏度分级与不完备模态信息的海洋平台多级模型修正技术研究

Structural model updating based on vibration measurements is essentially important for structural health monitoring and safety assessment of offshore platform. However, many factors such as enormous size of the offshore platform, large amounts of updating parameters, incompleteness of identified modal data and noise contanmination from ambient vibration signals limited the application of the structural model updating on offshore platform. In the present research project, optimal selection of the updating parameters will be investigated based on the senstivity analysis and solution approaches of ill-posed linear equations. It is intended to develop a new model updating procedure which has the capability of directly incorporating the spatially-incomplete mode shapes in the algorithm, with no requirement of pairing of modal frequency and mode shape. At the same time,it should be robust to measurement noise. Finally, a systematic methodology of multi-level structural model updating based on the optimal selection of updating paramenters will be developed to realized the gradual model updating of structural property as well as joints connectivity and boundary conditions. By using reasearch approaches such as theoretical analysis, numerical simulation and physical experiment, the objective of the present research project is to develop a systematic methodology of structural model updating which is applicable to offshore platform structures. The updated structural model is able to be used for structural health monitoring and safety assessment of offshore platforms where the alerts capability to detect potential damages will be greatly improved. And also it could provide a basis for assessing the remaining life of aged offshore platforms.

基于振动测试信息的结构模型修正对海洋平台结构健康检测及安全评定意义重大。然而海洋平台结构体积庞大、待修正参数多、实测模态信息少、环境噪声影响严重等因素制约了结构模型修正技术在海洋平台上的应用。本项目结合设计参数的灵敏度分析和线性方程病态问题的求解，进行修正参数的合理优选研究；发展一种能够直接利用空间不完备振型、无需频率与振型配对使用、对量测误差具有一定鲁棒性的结构模型修正方法；建立基于灵敏度分析的修正参数优选和分级式模型修正技术，实现对结构-节点-边界的分级整体修正。借助于理论分析、数值模拟以及实验研究等方法手段，本项目旨在发展一套适用于海洋平台结构的有限元模型修正技术，用于海洋平台结构的健康检测与安全评定，提高海洋平台的损伤预警能力，避免造成巨大的经济损失和不必要的人员伤亡，同时为评估海洋平台等大型土木结构的残余寿命提供科学依据。

基于振动测试信息的结构模型修正对海洋平台结构健康检测及安全评估具有十分重要的意义。然而，海洋平台结构体积庞大、待修正参数多、实测模态信息少、环境噪声影响严重等因素很大程度上制约了该技术在海洋平台上的应用。本课题重点研究融合灵敏度参数选择和部分测点信息的损伤检测及模型修正方法。在灵敏度参数的优选方面，推导了结构动力特征参数对子结构物理修正参数的灵敏度表达式，建立了基于模态应变能和模态动能的灵敏度指标，实现了修正参数的合理优选。针对水下单元、梁柱连接及桩土边界等问题，研究建立了考虑附连水质量的简化单元模型，并构建了相应的质量矩阵；通过结构弯矩与转角位移之间的非线性关系，推导建立了结构半刚性节点参数化模型；提出一种桩基简化模型的修正方法，建立了与上部结构一致的边界单元刚度矩阵和质量矩阵模型。结合设计修正参数的优选方法和优选准则，发展了一套综合考虑结构单元属性、节点连接条件和边界条件的分级式模型修正方法。提出了一种处理实测振型空间不完备问题的新思路——基于部分量测自由度信息的从自由度迭代修正方法，实现了空间不完备实测振型的直接应用。考虑到由于噪声、模态信息不完备引起的求解方程病态问题，提出了基于Tikhonov正则化迭代求解的损伤诊断过程，通过迭代的方式逐步优选正则化参数，提高了方法的鲁棒性。本项目研究发展了融合部分测点信息和灵敏度参数选择的分级式检测和修正方法，为海洋平台结构的健康检测与安全评定提供科学依据和技术支持。研究成果纳入行业指南（GD09-2014），共发表研究论文18篇，其中SCI论文8篇，EI论文7篇；科学出版社出版著作1部，申请国家发明专利3项，已授权1项。获教育部科技进步二等奖（2014年）、海洋工程科学技术一等奖（2016年），共培养博士、硕士研究生9人。达到了预期的研究目标。