測量噪聲對海洋平臺損傷檢測的影響研究

曾晉

（中海輝固地學服務（深圳）有限公司，廣東 深圳 518067）

目前，利用模態參數識別損傷位置成為海洋平臺損傷檢測的主流方法。然而，在海洋環境下，海上平臺通常只有很少的可以準確測量的低階模態。根據現有研究資料可知，使用較低的模態損傷檢測需要更高的模態檢測精度。

然而，測量噪聲對模態識別的準確性有顯著影響。目前，海洋平臺振動試驗中得到的測量噪聲普遍較大，是影響損傷檢測結果的重要因素。因此，研究測量噪聲對損傷檢測結果的影響，保證模態參數的精度，是海上平臺損傷檢測領域的研究重點。

1 相關概念及理論方法

1.1 測量噪聲及信噪比

測量噪聲包括來自傳感器和放大器、A/D轉換誤差以及外部電磁干擾的噪聲，通過信噪比衡量測量噪聲水平，表達公式如下。

1.2 模態參數

不同的損傷位置和程度對海上平臺整體結構的影響不同。為了衡量損傷位置和程度對平臺影響，采用模態參數概念，相應的表達公式為：

式中，D表示損傷部位的模態參數，fu1和fu2表示未損傷結構的第一階和第二階模態頻率，fd1和fd2分別為損傷部位的第一和第二階模態頻率。本文使用X方向、Y方向的前兩階彎曲模態。

1.3 模態識別與損傷檢測方法

本文基于輸出信號標量ARMA方法識別模態，基于局部測量的模態應變能檢測損傷，其基本原理基于損傷部位模態振型出現局部突變，使結構應變能分布出現變化，關鍵是計算結構損傷前后各單元模態應變能的變化率。該損傷檢測方法是一種基于海上平臺結構損傷實際情況提出的方法，需用到全部節點的模態振型，但現實中很難在平臺結構的每個節點上安裝傳感器。因此，本文提出了一種利用局部節點的模態振型進行損傷檢測的方法，假設損壞部位全部可測量。

各檢測區域損傷指標jβ符合正態分布的條件下，可以其標準化，從而提高損傷位置識別指標的魯棒性：

2 測量噪聲對海洋平臺損傷檢測的影響試驗研究

2.1 物理模型構建

根據研究對象制造等比例縮小物理模型，設置模擬的損傷部位，構建有限元模型。研究對象地處渤海，為鋼導管架平臺，水深71m，水面以上結構重量約820t。通過ANSYS進行有限元建模，模型如圖1所示，X軸為短邊方向，Y洲為長邊方向。試驗需對損壞部位進行模擬，將平臺模型中某個更換件取出以模擬平臺結構完全損傷。用更小尺寸的更換件代替原有更換件以模擬部分損傷。該平臺物理模型的立柱尺寸為10×2mm。具體包括三種尺寸的更換件，每種尺寸的更換件模擬的損傷程度可通過由立柱和更換件的橫截面積之差與立柱面積之比來衡量，表1為不同尺寸更換件對應的結構損傷程度。

更換件 尺寸（mm） 損傷程度（%）1 Φ8×1.5 39.2 2 Φ7×1 62.6 3 Φ6.34×0.67 76.4拆除更換件 — 100

圖1 有限元模型及測試傳感器設置

2.2 試驗方案

如圖1所示，選取模型三、四層之間部分區域設置測試傳感器。

檢測區域的每個節點處測試X、Y、Z三個方向的振動信號，測試共需18個傳感器，但在傳感器數量有限的情況下可分層檢測。即先測試第三層的10個節點的振動信號后將第三層的傳感器移到第四層的8個節點進行測試，然后組合兩層的識別模態（以節點2為參考點）。為定位損傷部位，需要將模型檢測區域內的損傷單元編號，用紅圈標記損壞部位，并用更換件模擬不同的損傷程度，損傷檢測區域分布如圖2所示。

圖2 損傷檢測區域分布和編號

2.4 振動信號測試

海洋環境載荷下往往只能得到少數低階模態，因此本次試驗根據低階模態參數變化實現海洋平臺結構損傷檢測。用橡膠錘對物理模型施加沖擊激勵，得到低階模態，同時得到的振動信號信噪比較高，有利于精確識別模態。具體步驟是利用橡皮錘在X和Y方向上敲擊模型最高層中部，激勵單一方向的彎曲模態，以便激發該方向的全部模態，基于各方向的模態頻率大小明確低階模態。當獲得實際的振動響應信號時，在結構損傷與未損傷情況分別對模型頂層甲板邊緣進行X軸、Y軸方向的錘擊。加速度測量傳感器信號直接連接到數據采集器，采集信號通過網線連接到筆記本電腦，通過采集的加速度數據由轉換成ASC碼文件后用于Matlab仿真分析。

2.5 信噪比選取

由于所測加速度信號中包含的噪聲無法單獨分離，因此必須單獨測量噪聲數據。

放置傳感器后，在施加沖擊激勵之前應先測量一段時間的噪聲數據，以計算信噪比。以圖1中的節點2為參考信號點對X、Y方向的加速度數據進行處理：以噪聲加速度數據中的某個點為起點，向后依次截取4096個點，采樣頻率200Hz，形成持續20.48s的數據集合，集合中包含的數據點為實測噪聲加速度值yji，使截取的加速度數據集合和沖擊激勵前的純噪聲數據代入公式（1）計算得到信噪比值。

截取不同信噪比的節點2的X軸方向噪聲加速度數據，得到4個數據集合，其中第一個數據集合是施加沖擊激勵前的純測量噪聲，剩下三個數據集合由三個不同信噪比的加速度數據組構成。第二個數據集合是沖擊激勵瞬間之后持續20.49s的加速度數據，此時的信噪比達到最大值40，可見，沖擊激勵施加瞬間海洋平臺加速度達到最大，隨后衰減，初期信號衰減趨勢明顯，5s后趨勢減弱。第三個數據集合是信噪比為20的數據集合，此時信號衰減趨勢變化較小，衰減速度基本穩定，測量噪聲對振動信號模態的影響不斷增加。第三個數據結合是信噪比為5的數據集合，此時信號衰減幅度基很小，測量噪聲的比例不斷增加，最終平臺靜止，僅剩測量噪聲信號。

2.6 模態參數識別

以節點2為模態識別參考信號點，通過第3、4層的信號測試將兩層18個節點的模態振型值組合，信號長度20.48s，ARMA階數32。分別基于信噪比40、30、20、10的噪聲加速度數據開展模態識別。結果顯示各個信噪比對應的前兩階模態頻率差異很小，可見信噪比對模態頻類識別的影響可忽略。本文去信噪比40的噪聲加速度數據對各損工況下的物理模型進行模態識別，并根據前兩階模態頻率按照公式（2）計算模態參數，結果顯示損傷程度相同的情況下，不同損傷部位的模態參數差異明顯，可見不同損傷部位對平臺結構的影響程度差異明顯，相同的損傷部位，損傷程度不同。

3 損傷檢測結果分析

基于模態應變能法中的損傷前后損傷部位應變能變化率指標對各工況進行損傷檢測，改變各工況中的信噪比以分析損傷檢測結果，以明確模態參數與損傷檢測結果的關系。

3.1 模態參數較大時的損傷檢測結果

在工況1中，如果檢測區域16的更換件被拆除，則損傷程度為100%。此時模態參數為6.34。截取多個不同信噪比的數據，運用基于局部測量的模態應變能法測試損傷指數，檢測區域16可被清楚定位。當信噪比從40逐漸降低到1時，損傷程度沒有明顯變化，檢測結構比較準確。同樣，工況3、工況6、工況9這三個工況種完成拆除更換件，識別出的損傷位置和程度均比較準確。由此可見，模態參數大于6時，信噪比變化對損傷檢測結果影響不大，損傷檢測結果較為準確。

3.2 模態參數較小時的損傷檢測結果

工況7中，將更換件3用于模擬檢測區域29的損傷，模態參數為0.27，截取信噪比=40的信號數據用于損傷檢測。檢測結果顯示即使信噪比為40，也無法準確識別損傷位置，無法準確評估損傷程度，信噪比的變化對實際損傷檢測結果幾乎沒有影響，均無法確定損傷位置。工況4與工況7類似。工況2中用更換件1替換檢測區域16模擬損傷，模態參數為0.35。結果表面只有高信噪比下才能確定損傷的位置，但無法確定損傷程度。隨著模態參數的增加，信噪比對損傷檢測結果的影響不斷增加。

3.3 模態參數為臨界值時的損傷檢測結果

模態參數處于0.7～4.5之間時，臨界信噪比變化較小，表示此范圍為模態參數臨界值。工況5中，將檢測區域27處的更換件3的兩端各拆掉三個螺栓，僅保留一個螺栓連接。此時模態參數為1.6。截取不同信噪比信號數據段用于損傷檢測，結果顯示，損傷檢測結果受信噪比變化的影響到達。信噪比不低于20時，可準確識別損傷位置；信噪比處于20～11之間時無法準確識別損傷位置；信噪比小于10時，無法識別損傷位置。識別的損傷程度在40%～100%之間大幅波動，無法準確識別。工況8中，模態參數為1。當信噪比超過10時可準確定位損傷位置，反至則無法確定損傷位置。根據表2可知，拆掉兩端螺栓后的更換件3理論損傷程度＞76.4%，但實際識別的損傷程度在61%～96%之間，變化范圍大且不穩定，無法做到準確識別。

4 結語

綜上所述，通過模態分析計算損傷前后結構的模態參數，基于模態參數和信噪比大致判斷此類損傷檢測難度，為結構損傷檢測提供有效的參考。本次研究的主要結論如下：

（1）模態參數＞6時，信噪比對損傷檢測結果影響可忽略，可準確識別損傷位置和損傷程度。

（2）模態參數＜0.5時,無論信噪比值高或低，都無法準確識別損傷位置和損傷程度。

（3）模態參數為臨界值（1＜D＜1.6）時，信噪比越低，準確識別損傷位置的難度越大；無論信噪比值高或低，均無法準確識別損傷程度。