论文基于石油钻井平台从一四层钢框架结构模型出发，围绕该模型发生不同 程度的损伤展开识别和诊断工作，提出了基于小波分析和神经网络识别损伤的两 步法。在求解结构的动力响应时，引入了计算精度高、无条件稳定且无超越现象 的高阶单步一B算法，对得到的相应结点加速度响应进行一层离散小波变换，对 所得到的细节信号尖峰高度的变化规律进行分析，考虑了小波函数选取、荷载强 度、噪声标准及损伤程度等因素对小波识别损伤能力的影响，提出了适用于工程 应用的加速度响应小波变换细节信号的尖峰高度确定损伤位置的方法。 为了更真实模拟环境激励，在求解动力响应过程中加入了一定量的噪音干
扰，因此论文在对相关数据进行小波变换前需要对所测得的数据进行小波降噪预 处理。论文阐述了小波闭值法降噪原理，考虑了小波函数的选取、分解的尺度及 阂值选取对信号降噪的影响，以信噪比和均方根误差两个指标作为评价降噪效果 的优劣，提出了适用于环境激励的结构动力响应降噪流程。
论文将传统的单一损伤识别方法发展为损伤识别两步法。在利用小波分析确 定了损伤发生的位置后，引入BP神经网络，采用与损伤程度相关的指标固有频 率平方变化比作为特征参数输入网络，从结构发生不同程度的损伤建立了一个三
层BP网络，并利用训练好的网络对结构的损伤程度做出判断。第1章绪论............................······??1
1.1选题的依据及研究的意义......................??1 1.1.1石油钻机井架风灾害分析.................??1
1.2结构损伤识别国内外研究现状及方法............??2 1.2.1外观目测法.............................??3
1.2.2基于仪器设备的局部损伤检测.............??3
1.2.3基于静态测量数据的结构损伤检测方法......??4 1.2.4基于动力特性的结构损伤检测方法.........??5 1.3小波分析在结构损伤识别中的应用............??，.6 1.3.1小波分析概述...........................??6
1.3.2小波分析在结构损伤识别中的应用.........??7 1.3.3小波分析在结构损伤识别中的研究现状......??7 1.4人工神经网络在结构损伤识别中应用............??8 1.4.1人工神经网络概述.......................??8
1.4.2人工神经网络在结构损伤识别中的研究现状..??9 1.5基于小波和神经网络结合的损伤识别............??9 1.6本文的主要研究内容及创新点.................??10 1.6.1论文的主要研究内容.??二............??10 1.6.2论文的主要创新点......................??12 1.6.3论文研究思路..........................??12
第2章小波变换的理论基础........................??13 2.1从傅里叶变换到小波分析.....................??13 2.1.1傅立叶变换............................??13 2.1.2短时Fourie;变换........................??14 2.1.3从傅里叶变换到小波分析................??16 2.2小波变换...................................??18 2.2.1连续小波变换..........................??18 吉林大学博士学位论文
2.2.2离散小波变换..........................??22 2.3多分辨分析.................................??23 2.4二尺度差分方程.............................??25 2.5Mallat算法................................??26 2.5.1Manat算法的综述.....................??26 2.5.2Mallat分解算法.......................??27 2.5.3Manat合成算法.......................??28 2.6常用小波函数介绍...........................??29 2.6.1DaubechieS小波.......................??29 2.6.2Haar小波....................??，..??30 2.6.3Mexic。草帽小波.......................??31 2.6.4Morlet小波...........................??32 2.6.SMeyer小波.............................??33 2.7本章小结...................................??34
3章基于高阶单步一p法的Benchmark模型动力响应求解.35 3.1Benchmark模型.............................??35
3.2模拟环境激励Benchmark结构损伤工况.........??38 3.2.1Benchmark模型的结构工况..............??38 3.2.2Benchlnark模型的损伤工况.............??，38 3.3Benchmark结构系统动力响应求解.............??39 3.3.1高阶单步一p算法.......................??39 3.3.2高阶单步p算法的精度..................??41 3.3.3高阶单步p算法的稳定性................??42 3.3.4高阶单步p法的超越现象................??43 3.4本章小结...................................??43
4章小波理论的Benchmark结构动力响应降噪处理..??45 4.1Benchmark结构小波降噪方案设计.............??45 4.1.1小波降噪的基本原理....................??45 4.1.2小波降噪效果评价指标..................??46
4.1.3Benchmark结构动力响应降噪小波函数的选择..?47 目录
4.1.4Benchmark结构动力响应降噪最大尺度的选择..?48 4.1.5Benchlnark结构动力响应降噪边缘处理.....??49 4.2常用的小波降噪方法.........................??49 4.2.1几种常用的小波降噪方法比较............??49 4.2.2非线性小波变换阑值法..................??50
4.3Benchmark结构动力响应小波降噪方案的选择....??52 4.3.1Benchmark结构动力响应降噪方案的选择...??52 4.3.2Benchmark结构动力响应降噪的流程.......??53 4.4本章小结...................................??55
第5章小波分析在Benchmark结构损伤识别中的应用研究.?57 5.1Benchmark结构损伤识别小波函数的选取.......??57
5.2小波变换对Benchmark结构损伤时刻及损伤位置的识别.62 5.2.1Benchmark结构损伤时刻及损伤所在楼层的判断?62
5.2.2Benchmark结构损伤具体位置的判断.......??69
5.3BenChmark结构损伤程度对小波识别能力的影响..??70 5.4环境激励的噪声标准对小波识别能力的影响.....??72 5.5环境激励的荷载强度对小波识别能力的影响??，.?77 5.6本章小结...................................??81
6章神经网络在BenChmark结构损伤程度识别中的应用研究.83 6.1神经网络概述...............................??83 6.1.1神经网络的发展........................??83 6.1.2神经网络的工作原理....................??84 6.1.3常用的神经网络介绍....................??87 6.2BP神经网络................................??90 6.2.1BP网络简介...........................??90 6.2.2BP网络的算法.........................??91 6.2.3BP网络存在的问题.....................??92 6.2.4BP神经网络的改进.....................??92
6.2.5Benchmark结构损伤程度识别的BP网络程序实现二93 6.3Benchmark结构损伤程度识别的BP网络构建.....??94 吉林大学博士学位论文
6.3.1Benchmark结构损伤识别的BP网络特征参数选择二95 6.3.2Benchmark结构损伤识别的BP网络训练样本产生二97 6.3.3Benchmark结构损伤程度识别的BP网络隐含层节点数 的确定......................................??99
6.4Benchmark结构损伤程度识别的BP网络模型的训练.?100 6.4.1Benchmark结构损伤识别的BP网络模型训练误差.100 6.性.2Benchmark结构损伤识别的BP网络参数的确定?101 6.5基于BP网络的Benchmark结构损伤程度预测和分析?102 6.6本章小结..................................??104 7章结论与建议...............................??105 7.1结论......................................??105 7.2建议......................................??106 考文献?，.....................................??107 谢............................................??ns 要科研成果与项目..?、....................·······??1 文摘要..............................····??八·?1 BSTRACT...........................................……3 第1章绪论 第1章
选题的依据及研究的意义 绪论
在现代油田勘探与开发过程中，石油钻井井架作为一个大型的、高耸的钢结 构，在复杂恶劣的野外服役环境中将受到地震、风灾、火灾等自然灾害的影响、 加之各种载荷的作用及疲劳效应、材料的腐蚀老化、不断地拆卸、搬运和安装等 各种不利因素的影响，使结构面临不同程度的损伤，从而使结构安全受到威胁〔’〕。 旦结构的关键构件的损伤程度积累到一定程度还没有及时被发现，损伤将会继
扩展甚至导致整个结构的破坏。尽管很早人们就意识到对结构进行损伤检测的 要性，但由于缺乏对结构进行损伤识别的有效途径造成了许多灾难性的事故发 ，给社会造成了极大的人员伤亡和财产损失。我国现有海上钻井平台共100多 座，而且大多数都是服役多年的，近年来，随着石油工业的发展，原油价格不断 上涨，石油的开采日趋增加，采油技术也不断提高、钻井设备随之不断改进和增 加，原有的钢结构井架在长期风荷载作用下势必发生强度和刚度的降低，现有的 载力能否继续满足需求，如何进行修补和加固，如何保障井架和平台的安全性 和耐久性越来越受到人们的关注12，。因此，对在役石油井架结构进行损伤检测和 估具有重要的现实意义。 .1.1石油钻机井架风灾害分析
自20世纪60年代以来，由于风灾给石油井架带来的危害极大，由于石油钻 井架工作条件恶劣。当风暴袭击井架时，就会使井架发生倾倒甚至倒塌。在油 田，井架因失稳而倒塌或被风刮倒的事故时有发生。如:1967年的SEDcoL半潜 三角型平台在进行采油作业时发生破坏，其尾部的水平支撑断裂了，造成的巨 的经济损伤;同年的5月Rangerl号钻井平台尾部的一根柱子失效，致使平台 衡同时甲板倾斜并发生坠落，由于前柱发生弯折屈曲导致整个钻井平台的破 ;1969年渤海2号平台被海冰推到，并使1号台严重受损，造成巨大的经济 失;1980年3月，位于北海的一座海洋平台由于疲劳在支座处发生裂纹并逐 开展，致使支撑折断，同时由于该支撑的破坏导致与该承重腿柱相连的其它五 支撑因过载而全部发生破坏，整个平台失稳倾斜:1984年4月，位于新疆的 拉马依油田受寒潮大风袭击，刮倒4部大庆型钻机井架，直接经济损失480万 ;1986年渤海石油钻井2号平台被海冰推倒〔3];1990年6月21一22日，大港 田1部18m高的修井作业井架被风刮倒，造成供电线路中断，致使404口油井 产，228口注水井停注;7月巧日又吹倒9部TJZ一41型塔形井架，刮倒1部 吉林大学博士学位论文
J45一JJ30oA型井架及8部修井作业井架，并全部摔毁报废〔4，;2001年巴西P 一36海洋平台爆炸倒塌，该平台共耗资3.56亿美金，该事故给巴西造成了巨大 的经济损失和环境污染:这些事故的发生给我们敲响了警钟〔别。 图1.lp一36号石油钻井平台倒塌
分析其原因，主要是因为石油钻井塔架是一大型复杂的金属钢架结构，它具 体型大、承载重、工作环境复杂等特点，加之各种荷载的作用、材料的腐蚀老 、不断地拆卸、搬运和安装等都对井架造成一定程度的损伤，井架的实际工作 况和可靠性仅通过设计保证是无法做到的，必须通过检测才能给出正确的评 ，即通过一定的方式对其进行损伤的在线监控，评价结构的损伤程度为加固提 科学依据〔6〕。因此，对在役石油井架结构进行损伤检测和评估，充分了解石油 架的健康状况，并诊断出局部损伤的位置以及损伤程度，并及时作出修补，这 于避免灾难性事故的发生，保障人们的生命安全则一产至关重要。因此，开展环 激励下，石油井架结构损伤识别研究，提高石油井架承载能力检测与安全评价 平，无疑具有重要的理论意义和实用价值。
由于石油井架都是钢结构的，因此本文基于石油钻井平台从一四层钢框架结 入手，模拟环境激励对四层钢框架结构的损伤展开研究，诊断损伤所发生的具 位置及损伤程度，从而为石油钻井平台的损伤识别奠定基础。 .2结构损伤识别国内外研究现状及方法
结构损伤检测可采用外观目测、采用仪器设备进行的局部损伤检测、基于静
测量数据的损伤检测和基于动态测量数据的结构损伤检测等方法，根据它们各 的特点，分别适用于不同的工程实际〔7〕。.2.1外观目测法
外观目测法是属于传统的检测方法，其检测结果与检测人员的经验和水平密 相关，而且只能检测到外部损伤，结构内部的损伤是无法检测出来的。 .2.2基于仪器设备的局部损伤检测
基于仪器设备的局部损伤检测方法属于传统的损伤检测方法，至今为止该方 法的检测理论和仪器设备已经相对成熟和完善，但由于采用该方法需要预先知道 结构发生损伤的大概部位，所需的时间较长，同时在检测期间结构的正常适用受 到限制，检测费用也相当高，因此该方法在实际工程应用中不够普遍。局部损伤 测法主要包括发射光谱检测法、超声波检测法、磁粒子法、及射线法等等。 实际工程检测中经常要几种技术联合使用来评价结构的健康状态。以下介绍 种最常用的局部损伤识别方法。
(1)声发射法也称应力波法〔8]，该方法的检测原理如图1.2所示，属于一
动态的检测技术，应力波法是利用固体在发生损伤后会产生一种弹性波，然后 用仪器检测这种弹性波，从而确定损伤的状态。如果在物体表面装上能把声音 号转换成电信号的探测器，然后再被放大、处理和记录，就能检测出物体内 的细微变化和损伤等，从而掌握物体内部的损坏信息，同时还可以根据同一声 射信号到达不同探测器的时间差来推算出声源所在的位置。目前，己经有很多 的工程采用应力波进行局部损伤
别。(2)超声波检测法是目前应用最广泛的的无损伤检测方法之一。原理是对 被测物体发射超声波，然后成像在仪器上，通过观察超声波在被检物体内发生的 传播变化，来判定被检物体内部或表面是否存在缺陷，从而在不破坏被检测物体 的情况下，评估其安全性和损伤情况。目前应用最多的是通过反射法来获取物体 内部的特性信息，该方法的工作原理是超声波在通过不同声阻抗界面时会发生较 强的反射。因为声波在穿过两种介质的分界面处会产生反射现象，而且反射的程 度与两种介质之间的差别成正比，因此可以对其中一种介质发射穿透力强且能够 吉林大学博士学位论文
直线传播的超声波，然后通过其反射波的顺序和幅值等判别各种介质的大小、分 布及它们之间的差异程度等信息。超声波具有诸多无法比拟的优点，如:声束指 向性好(能量集中):声压和声强大(能量高)，传播距离远;穿透能力强;在不
同介质的界面处会产生反射、透射(或折射)和波型转换，以及产生衍射等等。 这一技术目前己经发展得非常成熟，并且在许多工程中得到应用。 1.2.3基于静态测量数据的结构损伤检测方法
静态检测方法是通过测量材料的强度、弹性模量及结构的尺寸，进行结构分
识