基于小波分析的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)探討

摘 要：海洋平臺(tái)作業(yè)環(huán)境特殊，加上負(fù)載影響，以致平臺(tái)經(jīng)常出現(xiàn)不用形式的結(jié)構(gòu)損失，使得平臺(tái)結(jié)構(gòu)承載力大打折扣。文章將在了解小波分析基本原理的基礎(chǔ)上，深入研討小波分析在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：小波分析；海洋平臺(tái)；結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)

1 小波分析基本原理

1.1 時(shí)間與頻率的局域變換

小波分析的時(shí)間、頻率轉(zhuǎn)換，僅發(fā)生于局域，從而為外界信號(hào)騰出更多的自主適應(yīng)空間，因此無論是時(shí)域，還是頻域，都表現(xiàn)出優(yōu)越的局部化性質(zhì)。正是這種優(yōu)越局部化性質(zhì)的存在，小波分析時(shí)即便有高頻信號(hào)或者低頻信號(hào)的存在，小波分析都能夠在這些時(shí)快時(shí)慢的變化信號(hào)中，準(zhǔn)確找到所需的信息，并采用伸縮運(yùn)算或者平移運(yùn)算的方法，完成信號(hào)的多尺度分析，因此，小波分析也具有信號(hào)分析中的“數(shù)學(xué)顯微鏡”之美譽(yù)。

1.2 多分辨分析

多分辨分析，又稱之為多尺度分析，它利用正交小波基MEYER來展開圖像，應(yīng)用MEYER小波來處理圖像。它是一種基于函數(shù)空間概念的理論，構(gòu)造出一組統(tǒng)一形式的函數(shù)空間，在一定的空間內(nèi)，函數(shù)會(huì)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的正交際，而此時(shí)如果借助正交小波基構(gòu)造方法，在保持正交小波變化速度穩(wěn)定的前提下，即可通過采樣率濾波器，完成數(shù)據(jù)的濾波處理，同步彰顯出小波變化和數(shù)字濾波的綜合優(yōu)勢(shì)。

1.3 小波變換

時(shí)頻域分析，事實(shí)上是小波變化的本質(zhì)體現(xiàn)，同時(shí)也有時(shí)域、頻域等表征信號(hào)的出現(xiàn)，甚至可以認(rèn)為是變形分析的工具。這種工具在環(huán)境復(fù)雜的海洋平臺(tái)中應(yīng)用，可以避免受到動(dòng)力特性變化和結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)變化的影響，都能夠在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行信號(hào)的快速轉(zhuǎn)換，同時(shí)完成信號(hào)奇異性的檢驗(yàn)。一旦發(fā)現(xiàn)空間有突變信號(hào)的存在，小波分析亦可跟隨信號(hào)的變化速度，以合理的分解尺寸，針對(duì)性處置各種信號(hào)突變問題。

2 小波分析在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中的應(yīng)用

在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)，無論是類型差異的損傷結(jié)構(gòu)，還是類型相同但位置不同的損傷結(jié)構(gòu)，都要兼顧噪音和振動(dòng)對(duì)損傷檢測(cè)的干擾，作者結(jié)合相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，提煉出以下海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中小波分析的應(yīng)用方法。

2.1 損傷位置的確定

小波分析在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)是一種比較有效的方法。當(dāng)海洋平臺(tái)的構(gòu)件在受到船體或是重物撞擊后，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的立柱、斜撐、橫撐都出現(xiàn)損壞，小波分析可快速捕捉這些構(gòu)件部位的節(jié)點(diǎn)加速度信號(hào)，并迅速判斷這些構(gòu)件部位是否有損傷。

2.2 損傷識(shí)別的影響

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別，局部超靜定結(jié)構(gòu)是主要影響因素之一，當(dāng)損傷發(fā)生的位置是在局部超靜定結(jié)構(gòu)之外的其他地方，這個(gè)時(shí)候?qū)ξ挥诔o結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)加速度信號(hào)進(jìn)行小波變換分析，可能無法正確判斷出結(jié)構(gòu)是否有損傷，另外，如果局部超靜定結(jié)構(gòu)損傷程度微乎其微，即使小波分析可得出檢測(cè)結(jié)果，亦難以確定判斷結(jié)構(gòu)是否有損傷。對(duì)于這些損傷識(shí)別影響因素，作者認(rèn)為有必要在檢測(cè)時(shí)，從各個(gè)方向檢測(cè)節(jié)點(diǎn)加速度信號(hào)的變化頻率，譬如立柱單元結(jié)構(gòu)異常，可分別從兩個(gè)以上的軸線方向，在檢測(cè)平臺(tái)上分析節(jié)點(diǎn)加速度信號(hào)，就能夠綜合確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)的損傷情況，再如橫撐、斜撐單位有異常，亦可在兩個(gè)以上的軸線方向，分析受損單位不同節(jié)點(diǎn)的加速度信號(hào)，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)的損傷情況。除此之外，小波分析在噪音的干擾下，其準(zhǔn)確率同樣可能有所降低，作者建議海洋平臺(tái)損傷檢測(cè)時(shí)的小波分析，盡量在噪音影響比較小的情況下進(jìn)行，譬如5%左右的高斯白噪聲；或者采用分階段的方式，分析不同噪音階段的細(xì)節(jié)信號(hào)情況，進(jìn)而從信號(hào)當(dāng)中，捕捉出結(jié)構(gòu)損傷的振幅變動(dòng)，一旦噪音污染加劇，需中止檢測(cè)。

2.3 其他應(yīng)用建議

海洋平臺(tái)的損傷除了來自船舶或重物撞擊造成的之外，也有可能是由于海水的腐蝕造成而出現(xiàn)裂紋等等，這些結(jié)構(gòu)損傷的形成過程是相當(dāng)緩慢的，小波分析檢測(cè)技術(shù)對(duì)這類的損傷的檢測(cè)還不能很好的發(fā)揮作用，所以在檢測(cè)的時(shí)候要初步判斷出造成損傷的原因，再來選擇合適的方法進(jìn)行檢測(cè)。在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)過程中，如果想要得到海洋平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)在實(shí)踐軸上的規(guī)律就要求有較高的頻域分辨率，而得到不同時(shí)間段的規(guī)律則需要較高的時(shí)域分辨率。信號(hào)的高頻和低頻部分一般都帶有重要的信息，所以既要從整體上來描述信號(hào)的全局性特征，又要從局部分析得到信號(hào)的不平穩(wěn)性，這樣就可以從信號(hào)中提取出更多具有重要特征的信息。

3 結(jié)束語(yǔ)

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)是屬于大型化、復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)，在惡劣的海洋環(huán)境中服役的時(shí)候，由于受自身荷載影響和外在因素的作用下會(huì)產(chǎn)生損傷積累問題，這些積累的損傷如果沒被及時(shí)探測(cè)到的話就會(huì)影響到整體的強(qiáng)度和剛度，轉(zhuǎn)而發(fā)生更大的結(jié)構(gòu)損傷積累，而小波分析檢測(cè)技術(shù)則能夠有效的探測(cè)到這些微小損傷的存在，因此，研究小波分析檢測(cè)技術(shù)對(duì)檢測(cè)、分析海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷有著重要的意義。

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