水下脐带缆结构的动力响应分析及损伤诊断研究

本项目针对水下油气生产系统的脐带缆结构研究仅基于结构输出动力响应且考虑温度等随机环境因素影响的互谱能损伤诊断方法。地震、飓风、恐怖袭击等灾害/灾难发生后，水下脐带缆结构安全状况亟待评估；此外其服役过程中也需定期检测。水下脐带缆结构激励力不易测试，随机环境对损伤诊断存在影响，非线性特性显著，且目前多数诊断方法因基于激励力已知，基于质量归一化理论模态，故在实际应用上存在着局限。这就要求发展考虑实际服役环境，并能从测试动力响应直接诊断脐带缆结构损伤的方法，本研究将通过理论分析，数值模拟和实验研究，研究新的互谱能量法结合随机统计技术应用到脐带缆结构的损伤诊断，该方法诊断损伤无需已知结构材料特性，无需系统参数识别，无需模型修正，仅基于结构可测试输出动力响应即可识别损伤位置、评估损伤程度。研究主要目标是拓展互谱能量法应用于水下脐带缆的在线检测，达到提高结构可靠性，安全性以延长服役寿命，降低维修成本。

在国家自然科学青年基金资助下，本项目课题组在国内外学术刊物上研究中分别标注论文34篇，其中国际杂志文章9篇，国内核心期刊文章17篇，SCI收录12次，EI收录23次。完成软件著作登记3项。已培养研究生6名，正培养6名，取得可喜成绩。本项目研究工作的创新内容如下：.1) 鉴于聚合物材料制作的脐带缆弯曲加强器非线性特性显著，传统频域疲劳分析方法已不适用，而疲劳强度是弯曲加强器设计关键难点，建立了弯曲加强器分析的数学模型，给出了基于数学模型的弯曲加强器疲劳分析方法。.2) 对水下脐带缆的海底稳定性的动态分析方法进行了探讨，以实现更准确的脐带缆水动力载荷的计算及更有效的脐带缆的海床稳定性设计。研究表明了Fourier系数法在计算时变水动力载荷方面具有优势，实现了脐带缆海底稳定性动态分析的一般步骤，并得出了部分参数对脐带缆海底稳定性的影响程度，有助于更好地进行脐带缆海底稳定性设计。.3)为了避免损伤诊断方法对模态参数的依赖，提出一种仅基于时域测试数据的损伤诊断方法。首先对振动信号进行标准化以消除载荷条件对信号的影响并利用ARMA模型拟合这些数据。其次通过自回归系数构造距离判别函数并将欧几里得距离定义为结构损伤定位指标。然后对一顶张力立管数值模型进行多损伤工况的仿真，提取加速度响应作为传感数据验证所提出的模型。最后探讨了随机噪声对损伤指标的影响。研究结果表明，该方法可以准确诊断出立管结构的损伤位置并有较强的抗噪声能力。.所提的方法和研究结论可为深海脐带缆设计提供参考。所有预期的项目指标都圆满完成。