1.本发明涉及海工结构技术领域，尤其涉及一种海工结构寿命预测方法。
背景技术：2.风电建设正向着海上风电发展，风电塔筒和叶片除了受到风荷载等作用外，还受波浪、潮流等自然环境因素带来的荷载冲击和腐蚀等影响。由于外部环境载荷很难确定，传统的传感器如应变仪被广泛用于收集操作数据，但这些传统的方法不能提供全现场数据，而只能显示几个离散位置的测量数据，实际上很多情况下破坏发生在没有监测的区域或者无法监测的点，因此结构的变形和应力很难估计，海上风电结构的寿命预测是技术难题。
技术实现要素：3.本技术实施例的目的是提供一种海工结构寿命预测方法，基于模态扩展的动力应变重构和动力安定分析方法，对结构的寿命进行预测。
4.为了实现上述目的，本技术提供一种海工结构寿命预测方法，包括：
5.在待测海工结构布置多个应变监测点，根据各应变监测点得到的实测应变分量，重构所述待测海工结构的全场应变动力响应；
6.根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度；
7.根据所述待测海工结构的全场应变动力响应，生成所述待测海工结构内的残余应力场，确定动力安定载荷域；
8.根据所述动力安定载荷域预测所述海工结构的剩余寿命。
9.可选的，
10.所述重构所述待测海工结构的全场应变动力响应，包括：
11.利用模态分析法得到所述待测海工结构的位移y(t)表示为：
[0012][0013]
其中，qi(t)为模态i对应的坐标，位移振型φi，n为振型数；
[0014]
构建所述待测海工结构的应变场ε(t)为：
[0015]
ε(t)＝by(t)＝bφq(t)＝φ
ε
q(t)
[0016]
其中，b为应变矩阵，应变振型φ
ε
＝bφ；
[0017]
假设应变场ε(t)包含n个全场应变动力响应分量{εn}，其中{εa}为a个监测点得到的实测应变分量，{εd}为d个预测应变分量，则全场应变动力响应表示为
[0018][0019]
其中，为nxn的矩阵，{εa}＝[φ
εa
]{q}，{q}为nx1列向量，{q}＝([φ
εa
]
t
[φ
εa
])-1
[φ
εa
]
t
{εa}＝[φ
εa
]g{εa}；
[0020]
则根据实测应变分量得到全场应变动力响应{εn}＝[φ
ε
][φ
εa
]g{εa}＝[t]{εa}。
[0021]
可选的，
[0022]
所述根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度，包括：
[0023]
第i点应变的预测置信度为
[0024][0025]
其中，n
t
为选取的所有时间点，为第i点预测应变响应分量，εi为第i点实测应变响应分量。
[0026]
可选的，
[0027]
所述生成所述待测海工结构内的残余应力场，包括：
[0028]
构建所述待测海工结构内的应力场为：
[0029]
σ(t)＝λσe(t)+ρ(t)
[0030]
其中，σe(t)＝dε(t)为弹性应力场，ε(t)为应变场；ρ(t)为残余应力场，λ为安定载荷乘子。
[0031]
定义t时刻的补偿应力为：
[0032][0033]
其中，ξ(t)为补偿应力乘子，为等效应力，σy为材料屈服应力；
[0034]
对结构进行有限元离散，利用应力补偿法得到残余应力场变化率为：
[0035][0036][0037]
其中，k是有限元刚度矩阵，d是弹性系数矩阵,b为应变矩阵，为恒定的弹性应力场，为变化的循环弹性应力场；
[0038]
通过时间离散化，δt为时间步长，第kδt(k＝1,,,r)时刻表示为tk，对第m个载荷乘子λm对应的残余应力场求解，得到第n+1步的残余应力场为：
[0039][0040][0041][0042]
当所有tk对应的补偿应力乘子ξ(tk)满足|ξ
n+1
(tk)-ξn(tk)|《δ1时，δ1为迭代收敛算子，表示得到第m个载荷乘子λm对应的残余应力场。
[0043]
可选的，
[0044]
所述确定动力安定载荷域，包括：
[0045]
假设第n+1步得到λm对应的残余应力场ρ
n+1
，对第m个载荷乘子λm进行迭代求解得到安定载荷乘子，即：
[0046]
且
[0047]
且
[0048]
其中，最大补偿应力乘子δ2,η为安定乘子迭代步长，δ3为收敛判断因子。
[0049]
可选的，
[0050]
所述的方法还包括：
[0051]
确定疲劳破坏曲线，识别所述海工结构损伤破坏区。
[0052]
可选的，
[0053]
所述确定疲劳破坏曲线，包括：
[0054]
根据miner线性累积损伤方法，确定疲劳破坏曲线，即：
[0055][0056]
其中，df为结构损伤参数，df＝1表示失效，n
cycle
为所有的疲劳点，ni为第i个应力幅对应的循环次数；为第i个应力幅δσi对应的疲劳破坏循环次数，表示为δσi＝eδεi，δσ
ref
为结构材料极限应力幅，m为结构材料系数。
[0057]
在本技术实施例中，利用模态扩展方法对海工结构进行健康监测，实现了对全场应变场预测。即：通过在待测海工结构布置多个应变监测点，根据各应变监测点得到的实测应变分量，得到了结构模态，然后利用模态扩展法和有限的应变监测数据进行了结构应变动力响应重构；根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度，并根据动力安定分析方法，对结构的寿命进行了预测。该方法基于模态扩展的动力应变重构和动力安定寿命预测，计算简单，更具有可行性，预测结果精度高。
[0058]
此外，本技术实施例还可以根据miner线性累积损伤方法，确定疲劳破坏曲线，识别结构损伤破坏区。
附图说明
[0059]
图1是本技术实施例提供的海工结构寿命预测方法流程示意图；
[0060]
图2是海工结构试验模型；
[0061]
图3是预测应变与实测应变结果对比；
[0062]
图4是海工结构的安定载荷域；
[0063]
图5是海工结构的疲劳破坏曲线。
具体实施方式
[0064]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0065]
需要说明的，本说明书中针对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用，
指的是描述的该实施例可包括特定的特征、结构或特性，但是不是每个实施例必须包含这些特定特征、结构或特性。此外，这样的表述并非指的是同一个实施例。进一步，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，不管有没有明确的描述，已经表明将这样的特征、结构或特性结合到其它实施例中是在本领域技术人员的知识范围内的。
[0066]
参考图1，图1示出了一种海工结构寿命预测方法实施例的步骤流程图，可以包括如下步骤：
[0067]
s1.在待测海工结构布置多个应变监测点，根据各应变监测点得到的实测应变分量，重构所述待测海工结构的全场应变动力响应。
[0068]
在具体实现中，所述重构所述待测海工结构的全场应变动力响应，包括：
[0069]
利用模态分析法得到所述待测海工结构的位移y(t)表示为：
[0070][0071]
其中，qi(t)为模态i对应的坐标，位移振型φi，n为振型数；
[0072]
构建所述待测海工结构的应变场ε(t)为：
[0073]
ε(t)＝by(t)＝bφq(t)＝φ
ε
q(t)
[0074]
其中，b为应变矩阵，应变振型φ
ε
＝bφ；
[0075]
假设应变场ε(t)包含n个全场应变动力响应分量{εn}，其中{εa}为a个监测点得到的实测应变分量，{εd}为d个预测应变分量，则全场应变动力响应表示为
[0076][0077]
其中，为nxn的矩阵，{εa}＝[φ
εa
]{q}，{q}为nx1列向量，{q}＝([φ
εa
]
t
[φ
εa
])-1
[φ
εa
]
t
{εa}＝[φ
εa
]g{εa}；
[0078]
则根据实测应变分量得到全场应变动力响应{εn}＝[φ
ε
][φ
εa
]g{εa}＝[t]{εa}。
[0079]
s2.根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度。
[0080]
在具体实现中，所述根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度，包括：
[0081]
第i点应变的预测置信度为
[0082][0083]
其中，n
t
为选取的所有时间点，为第i点预测应变响应分量，εi为第i点实测应变响应分量。
[0084]
s3.根据所述待测海工结构的全场应变动力响应，生成所述待测海工结构内的残余应力场，确定动力安定载荷域；
[0085]
在具体实现中，构建所述待测海工结构内的应力场为：
[0086]
σ(t)＝λσe(t)+ρ(t)
[0087]
其中，σe(t)＝dε(t)为弹性应力场，ε(t)为应变场；ρ(t)为残余应力场，λ为安定载
荷乘子。
[0088]
定义t时刻的补偿应力为：
[0089][0090]
其中，ξ(t)为补偿应力乘子，为等效应力，σy为材料屈服应力；
[0091]
对结构进行有限元离散，利用应力补偿法得到残余应力场变化率为：
[0092][0093][0094]
其中，k是有限元刚度矩阵，d是弹性系数矩阵,b为应变矩阵，为恒定的弹性应力场，为变化的循环弹性应力场；
[0095]
通过时间离散化，δt为时间步长，第kδt(k＝1,,,r)时刻表示为tk，对第m个载荷乘子λm对应的残余应力场求解，得到内循环第n+1步的残余应力场为：
[0096][0097][0098][0099]
当所有tk对应的补偿应力乘子ξ(tk)满足|ξ
n+1
(tk)-ξn(tk)|《δ1时，δ1为迭代收敛算子，表示得到第m个载荷乘子λm对应的残余应力场。
[0100]
假设第n+1步得到λm对应的残余应力场，对第m个载荷乘子λm进行迭代求解得到安定载荷乘子，即：
[0101]
且
[0102]
且
[0103]
其中，最大补偿应力乘子δ2,η为安定乘子迭代步长，δ3为收敛判断因子。
[0104]
s4.根据所述动力安定载荷域预测所述海工结构的剩余寿命。
[0105]
本实施例中，通过在待测海工结构布置多个应变监测点，根据各应变监测点得到的实测应变分量，得到了结构模态，然后利用模态扩展法和有限的应变监测数据进行了结构应变动力响应重构；根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度，并根据动力安定分析方法，对结构的寿命进行了预测。
[0106]
在一些实施例中，在对海工结构寿命预测的同时，还可以根据miner线性累积损伤方法，确定疲劳破坏曲线，识别所述海工结构损伤破坏区。
[0107]
在具体实现中，所述确定疲劳破坏曲线，包括：
[0108]
根据miner线性累积损伤方法，确定疲劳破坏曲线，即：
[0109]
[0110]
其中，df为结构损伤参数，df＝1表示失效，n
cycle
为所有的疲劳点，ni为第i个应力幅对应的循环次数；为第i个应力幅δσi对应的疲劳破坏循环次数，表示为δσi＝eδεi，δσ
ref
为结构材料极限应力幅，m为结构材料系数。
[0111]
综上，在本技术的实施例中，利用模态扩展方法对海工结构进行健康监测和损伤识别的方法，实现了对全场应变场预测和损伤破坏区的识别。即：通过在待测海工结构布置多个应变监测点，根据各应变监测点得到的实测应变分量，得到了结构模态，然后利用模态扩展法和有限的应变监测数据进行了结构应变动力响应重构；根据各监测点的预测应变分量与实测应变分量确定所述应变监测点应变的预测置信度，并根据动力安定分析方法，对结构的寿命进行了预测。同时，根据miner线性累积损伤方法，确定疲劳破坏曲线，识别结构损伤破坏区。该方法基于模态扩展的动力应变重构和动力安定寿命预测，计算简单，更具有可行性。
[0112]
下面结合实际工程案例论证上述方法：
[0113]
本次试验中选择试验塔高3m，采用圆钢管，截面尺寸为50mm
×
1.2mm。塔重4.3kg。考虑到与实际塔筒一阶自振频率的相似，在塔顶添加一个5kg的配重块，防止试验过程塔倒塌，周围框架围护。同时，每隔0.5m布置2个应变测点和2个加速度测点，监测点布置如图2所示，塔上一共布置14个应变测点和14个加速度测点，得到6个模态。顶部作用水平简谐激励f＝75sin(62.8t)n，扭转力偶m＝75sin(62.8t)nm，利用(3,4,5,6,7,9,11)共7个点测得的应变用模态扩展法重构(1,2,8)的应变，预测应变与实测应变进行对比，如图3图3(a)、图3(b)、图3(c)分别表示(1,2,8)点对应的预测应变与实测应变，预测可信度基本在0.98以上，证明预测结果可行。
[0114]
钢材屈服应力235mpa，得到塑性极限水平力f0＝225n，塑性极限扭转力偶m0＝448nm。利用安定分析算法得到安定载荷域，并与试验进行对比，如图4，cp表示极限破坏载荷，ps表示塑性安定载荷，es表示弹性安定载荷。按照miner线性累积损伤理论，得到疲劳曲线如图5。试验表明，该基于模态扩展的动力应变重构和动力安定寿命预测的方法，计算简单，更具有可行性。
[0115]
需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本技术实施例所必须的。
[0116]
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。