一种海洋立管损伤程度及损伤位置识别方法及系统与流程

本公开涉及结构损伤检测技术领域，特别涉及一种海洋立管损伤程度及损伤位置识别方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

海洋立管是海洋油气钻探和输送的管线，是海洋平台结构的关键功能设施。为了减少失效风险和增加生产效益，国际各大油气公司均非常重视对海洋立管、尤其是恶劣服役环境下的深海立管进行全寿命服役期间的完整性管理。结构健康监测技术可为立管完整性管理实时提供荷载、响应和损伤的原位测试数据，为立管生产作业和风险分析提供及时反馈。近年来，欧美各大石油公司在墨西哥湾、北海、西非以及巴西临近海域进行了大量实践，结构健康监测技术在立管系统设计验证和安全预警方面具有广阔前景。由于经济性与可靠性等原因，目前还没有找到一种计算简便、准确度高、特别适用于海洋立管的损伤位置及损伤程度识别方法。

应变是一个很常见的和结构局部刚度密切相关的指标，可以反映出局部刚度的变化，因此可用来定位结构损伤。

本公开发明人在研究中发现，现有的基于应变响应的损伤定位方法，主要是基于应变模态的，但通过应变响应变换得到应变模态时会产生误差，甚至存在多阶模态混淆问题；另外，结构损伤对各阶应变模态的影响也不尽相同；目前直接利用应变响应进行损伤定位的方法比较少，一般都需借助各种变换工具，增加了计算的复杂性。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种海洋立管损伤程度及损伤位置识别方法及系统，基于测得的损伤前后立管各单元的主应变时程进行损伤识别，无需进行模态分析，可以避免模态识别的误差对损伤识别的干扰；无需进行复杂的数学变换，计算简便，准确度高，可同时识别损伤程度及损伤位置。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，本公开提供了一种海洋立管损伤程度及损伤位置识别方法，步骤如下：

将立管划分为多个单元，获取无损伤工况下立管各单元的三个主应变以及损伤工况下立管各单元的三个主应变；

根据获取的立管各单元的主应变，计算立管各单元的主应变变化因子；

根据立管各单元的主应变变化因子，得到立管各单元的损伤程度，根据立管各单元的损伤程度确定立管损伤位置。

作为可能的一些实现方式，将立管划分为多个单元，具体为：采用ansys建立立管的有限元模型，将模型划分为多个单元。

作为进一步的限定，立管各单元的各个主应变的获取方式为：对立管有限元模型施加随机波浪激励，在设定的采样频率和采样时间下，获取立管各单元的损伤前后相同时间长度的三个主应变时程数据。

作为可能的一些实现方式，在实际应用中，利用光纤光栅传感器或者应变片实时测量实际立管各单元的三个主应变时程数据。

作为可能的一些实现方式，第j个单元的主应变变化因子mj为：

其中sum表示对时程数据求和，μ为结构损伤耗能之前的泊松比，和为无损伤工况下立管第j个单元的三个主应变，和为损伤工况下立管第j个单元的三个主应变。

作为进一步的限定，立管第j个单元的损伤程度dj为：

第二方面，本公开提供了一种海洋立管损伤程度及损伤位置识别系统，包括：

数据获取模块，被配置为：将立管划分为多个单元，获取立管各单元的损伤前后相同时间长度的三个主应变时程数据；

数据处理模块，被配置为：根据获取的立管各单元的主应变，计算立管各单元的主应变变化因子；

损伤识别模块，被配置为：根据立管各单元的主应变变化因子，得到立管各单元的损伤程度，根据立管各单元的损伤程度确定立管损伤位置。

作为可能的一些实现方式，所述数据获取模块利用光纤光栅传感器或者应变片实时测量实际立管各单元的三个主应变时程数据。

作为可能的一些实现方式，第j个单元的主应变变化因子mj为：

立管第j个单元的损伤程度dj为：

其中sum表示对时程数据求和，μ为结构损伤耗能之前的泊松比，和为无损伤工况下立管第j个单元的三个主应变，和为损伤工况下立管第j个单元的三个主应变。

第三方面，本公开提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本公开所述的海洋立管损伤程度及损伤位置识别方法中的步骤。

第四方面，本公开提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本公开所述的海洋立管损伤程度及损伤位置识别方法中的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开基于测得的损伤前后立管各单元的主应变时程进行损伤识别，无需进行模态分析，可以避免模态识别的误差对损伤识别的干扰。

2、本公开无需进行复杂的数学变换，计算简便，准确度高，可同时识别损伤位置及损伤程度。

3、本公开只需要获得立管各单元的损伤前后相同时间长度的三个主应变时程数据，就可以各单元的主应变变化因子，进而通过立管各个单元的损伤程度计算公式快速得到立管各个单元的损伤程度和损伤位置。

4、本公开在进行损伤程度和损伤位置识别模拟时，立管各单元的各个主应变的获取方式为：对立管有限元模型施加随机波浪激励，在设定的采样频率和采样时间下，获取立管各单元的损伤前后相同时间长度的三个主应变时程数据，从而能够有效的进行立管损伤的模拟。

5、本公开所述的内容在实际应用中，可以利用光纤光栅传感器或者应变片实时测量实际立管各单元的三个主应变时程数据，从而能够快速的实现实际中立管的损伤程度和损伤位置的识别。

附图说明

图1为本公开实施例1所述的海洋立管损伤程度及损伤位置识别方法。

图2为本公开实施例1所述的立管有限元模型。

图3为本公开实施例1所述的立管未损伤时第2单元第一主应变时程曲线。

图4为本公开实施例1所述的立管未损伤时第2单元第二主应变时程曲线。

图5为本公开实施例1所述的立管未损伤时第2单元第三主应变时程曲线。

图6为本公开实施例1所述的损伤工况1时立管第2单元第一主应变时程曲线。

图7为本公开实施例1所述的损伤工况1时立管第2单元第二主应变时程曲线。

图8为本公开实施例1所述的损伤工况1时立管第2单元第三主应变时程曲线。

图9为本公开实施例1所述的损伤工况1时损伤定位及损伤程度识别结果。

图10为本公开实施例1所述的损伤工况2时损伤定位及损伤程度识别结果。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例1提供了一种海洋立管损伤程度及损伤位置识别方法，步骤如下：

将模型划分为多个单元，获取无损伤工况下立管各单元的三个主应变以及损伤工况下立管各单元的三个主应变；

获取立管各单元的损伤前后相同时间长度的三个主应变时程数据，计算立管各单元的主应变变化因子；

根据立管各单元的主应变变化因子，得到立管各单元的损伤程度，根据立管各单元的损伤程度确定立管损伤位置。

立管各单元的损伤程度和损伤位置的确定原理的理论推导过程如下：

(1)能量的耗散

结构的损伤也可以被描述为能量耗散过程，设作用于某点的名义主应力为σi(i＝1,2,3)，则在该点因σi所导致的损伤过程中，由损伤变量d(t)所引起的耗能率可表示为

其中为由d(t)引起的不可逆主应变率，t为表示损伤耗能过程的时间参数。

若设e,μ为结构损伤耗能之前的名义弹性模量和泊松比，则在结构损伤耗能之前的本构关系可表示为

由损伤力学可知，当某点在给定外荷载作用下发生损伤耗能时，可以认为在该点发生的损伤耗能过程，实际上就是该点的损伤变量d(t)由零逐渐递增到1的过程。对于各向同性损伤而言，在该点发生损伤耗能过程中的任一时刻t的应变，可根据应变等效原理由式(2)表示为：

进一步的，由式(3)得：

将式(4)代入式(1)得

而由材料力学可知，单元的应变能密度νε可表示为：

将式(6)代入式(5)得

在时刻t＝0时，无损伤发生，则d(0)＝0；在时刻t＝t^d时，损伤发生，d(t^d)＝d。如果单元体积为v,发生大小为d的损伤，则该单元的能量耗散为

(2)损伤指标

由于单元的能量耗散与损伤前后应变能的变化值应该是等价的，故由式(8)有

其中为损伤后单元的应变能密度。

进一步的，由式(9)得

又由式(6)得

其中，e^d为损伤后单元的名义弹性模量，为损伤后主应变。

由式(6)和式(11)得

令主应变变化因子又因为故式(12)可表示为：

联合式(10)和式(13)得

则由式(14)可得

若测得的是第j个单元的损伤前后相同时间长度的主应变时程数据，则第j个单元的主应变变化因子mj可表示为

其中sum表示对时程数据求和。则第j个单元的损伤程度可表示为

下面结合具体实例进行分析：

采用ansys软件建立立管的有限元模型，如图2为简化的立管有限元模型，立管直径0.66m，壁厚0.066m，长10m。模型划分单元数n＝10，分别记为单元1～10。通过减少单元的弹性模量来模拟损伤，损伤工况如表1所示。

表1立管模拟损伤工况

1)数据采集

对立管有限元模型施加随机波浪激励，采样频率fs为100hz,采样时间30s。分别获取无损伤工况下，立管各单元的三个主应变以及损伤工况下，立管各单元的三个主应变如图3-5所示为立管未损伤时，第2单元的三个主应变时程曲线；图6-8所示为损伤工况1时，立管第2单元的三个主应变时程曲线。

在进行立管损伤程度和损伤位置的识别模拟时，采用ansys建立立管的有限元模型，将模型划分为多个单元，对立管有限元模型施加随机波浪激励，在设定的采样频率和采样时间下，获取无损伤工况下立管各单元的三个主应变以及损伤工况下立管各单元的三个主应变。

在实际工程应用中，将立管划分为多个单元，可以利用光纤光栅传感器或者应变片实时测量实际立管各单元的三个主应变时程数据。

2)数据处理

取无损伤工况下，立管各单元的三个主应变和损伤工况下，立管各单元的三个主应变分别计算立管各单元的主应变变化因子mj值。

3)损伤位置及损伤程度的确定

根据公式求得不同损伤工况下，立管各单元的损伤程度dj。通过对比各单元的损伤程度dj值，可以非常明显地识别出损伤位置，同时也能确定其损伤程度。如图9所示为损伤工况1，立管第2单元发生损伤，其余单元作为对比单元，从中可以准确地识别出立管第2单元发生损伤，损伤程度为5％。同理，在损伤工况2下，立管各单元的损伤程度识别如图10所示。同样，可以准确地定位损伤位置并确定其损伤程度，即立管第1，3，5单元发生损伤，损伤程度分别为50％，20％和10％。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种海洋立管损伤程度及损伤位置识别系统，包括：

数据获取模块，被配置为：将立管划分为多个单元，利用光纤光栅传感器或者应变片实时测量实际立管各单元的三个主应变，获取立管各单元的损伤前后相同时间长度的三个主应变时程数据；

数据处理模块，被配置为：根据获取的立管各单元的主应变，计算立管各单元的主应变变化因子；

损伤识别模块，被配置为：根据立管各单元的主应变变化因子，得到立管各单元的损伤程度，根据立管各单元的损伤程度确定立管损伤位置。

第j个单元的主应变变化因子mj为：

立管第j个单元的损伤程度dj为：

其中sum表示对时程数据求和，μ为结构损伤耗能之前的泊松比，和为无损伤工况下立管第j个单元的三个主应变，和为损伤工况下立管第j个单元的三个主应变。

实施例3：

本公开实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本公开实施例1所述的海洋立管损伤程度及损伤位置识别中的步骤。

实施例4：

本公开实施例4提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本公开实施例1所述的海洋立管损伤程度及损伤位置识别方法中的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。