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?，被譽(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)。基于應(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，通過對比裂紋管固有頻率理論計算值與試驗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，利用模型試驗數(shù)據(jù)驗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研究，使用三點彎曲疲勞試驗預(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)疲勞裂紋管的真實振動信號驗證了