裂紋管結(jié)構(gòu)的振動分析與裂紋識別.pdf

1、管道普遍應(yīng)用于化工、核電和油氣儲運(yùn)等領(lǐng)域，是一種重要的工程結(jié)構(gòu)。隨著海洋油氣資源的開發(fā)，海底管道已成為海洋油氣集輸?shù)闹匾侄危蛔u(yù)為海上油氣田生命線工程，其安全性和可靠性日益受到重視。然而，由于材料老化、腐蝕和各種環(huán)境荷載的長期作用，海底管道不可避免產(chǎn)生凹痕和裂縫等損傷。損傷的累積和擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗力衰減，突發(fā)情況下甚至引起海底管道破裂。因此，采取有效的技術(shù)手段對海底管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、監(jiān)測診斷以及安全評價具有重要的理論意義與實(shí)用價值。本文

2、圍繞海底懸跨管道的振動分析以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)與裂紋識別中的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，系統(tǒng)開展了理論和試驗(yàn)研究，其主要內(nèi)容包括： (1)獲得了裂紋管結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載聯(lián)合作用下的局部柔度系數(shù)?；趹?yīng)變能釋放原理和線性斷裂力學(xué)理論，推導(dǎo)了管類結(jié)構(gòu)在軸力、剪力和彎矩作用下由非貫穿直裂紋、圓周非貫穿及貫穿裂紋等三種典型裂紋所引入的附加局部柔度方程，通過數(shù)值積分方法進(jìn)行局部柔度系數(shù)求解，發(fā)展了較為完善的裂紋管局部柔度系數(shù)求解方法。研究結(jié)果表明，本文所建立

3、的裂紋管局部柔度能夠較為準(zhǔn)確地反映裂紋的局部力學(xué)行為，彌補(bǔ)了現(xiàn)有模型局限于特定荷載模式或非空心截面的不足，為裂紋管結(jié)構(gòu)的動力分析和損傷識別提供了基本參數(shù)。 (2)基于以上局部柔度系數(shù)，建立了裂紋管結(jié)構(gòu)的有限元模型和彈簧鉸模型。為了驗(yàn)證裂紋管局部柔度系數(shù)及裂紋模型的合理性，進(jìn)行了裂紋管的動力模型試驗(yàn)，通過對比裂紋管固有頻率理論計(jì)算值與試驗(yàn)測試值分析了本文裂紋模型的合理性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了懸臂裂紋管和簡支裂紋管的固有振動分析，系統(tǒng)

4、研究了裂紋位置、裂紋深度與裂紋管固有頻率變化之間的關(guān)系，并且發(fā)展了管類結(jié)構(gòu)裂紋識別的等值線圖法。 (3)分析了邊界土體性質(zhì)變化對懸跨管道固有振動特性的影響，并提出了懸跨管道的狀態(tài)識別方法。首先，建立了以三向土彈簧約束模擬懸跨管道邊界條件的數(shù)值模型，討論了邊界土體性質(zhì)、外部環(huán)境荷載、軸向力以及懸跨長度等參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)固有頻率的影響；其次，根據(jù)懸跨管道頻率結(jié)構(gòu)的內(nèi)瘭特征，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)狀態(tài)敏感的特征矢量，提出了一種基于核判別分析(Ker

5、nelDiscriminantAnalysis，簡稱KDA)的懸跨管道狀態(tài)識別方法；最后，進(jìn)行了懸跨管道狀態(tài)識別的模型試驗(yàn)，利用模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。研究結(jié)果表明，本文方法能夠有效挖掘懸跨管道狀態(tài)矢量的本質(zhì)特征，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)狀態(tài)的正確分類，適合工程應(yīng)用。 (4)進(jìn)行了“呼吸”裂紋結(jié)構(gòu)的非線性諧振分析，提出了一種基于諧振特性的疲勞裂紋識別方法。首先，引入“呼吸”裂紋模型描述疲勞裂紋的非線性時變特性，使用接觸分析方法建立了

6、裂紋梁的動力接觸模型，研究了裂紋梁在簡諧荷載激勵下的非線性動力特性，分析了激勵頻率、裂紋位置、裂紋深度對諧振現(xiàn)象的影響，在此基礎(chǔ)上提取了一種“呼吸”裂紋識別的損傷敏感特征；其次，建立了含疲勞裂紋懸跨管道的三維動力接觸模模型，進(jìn)行了疲勞裂紋懸跨管道的非線性諧振分析和裂紋識別；最后，開展了疲勞裂紋識別的模型試驗(yàn)研究，使用三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)預(yù)制了不同裂紋程度的裂紋管模型，進(jìn)行了裂紋懸跨管道的無水和水下動力測試，根據(jù)疲勞裂紋管的真實(shí)振動信號驗(yàn)證了