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基于人工神经网络的海洋平台损伤诊断技术研究

作　者: 丁志凯
导　师: 吴卫国
学　校: 武汉理工大学
专　业: 海洋工程结构
关键词: 光纤传感技术损伤诊断模态分析神经网络海洋平台
分类号: P75
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

近年来，随着越来越多的海洋平台建造并投入使用，海洋平台的结构健康监测成了一个热门的话题。由于海洋平台的部分结构位于海平面以下，结构的损伤不容易被发现；而且结构的某些重要部件一旦发生损伤，在极端恶劣海况下，尤其是遇到巨大的风暴潮，破坏范围会迅速扩展，可能很快导致整个结构的失效。所以，对海洋平台的水下部分进行长期监测成了一个难题。但是，随着光纤传感技术的出现，这个难题迎刃而解。本文以光纤传感技术作为提取海洋结构物损伤数据的手段，以神经网络作为分析损伤的方法，对海洋平台的损伤诊断做了一定的研究，主要工作内容如下：1)对光纤传感技术做了一定的分析研究。分析了光纤传感器的特点，物理结构及传感器的传感原理，光纤光栅传输信号的解调原理。主要工作是原理说明和公式的推导。同时，本文还针对光纤传感器在工程中的应用，从理论上分析研究了光纤传感器在工程应用中应该注意的几个关键问题，包括：光纤传感器的优化配置问题，在工程中的埋设和保护问题及温度补偿问题。最后还建立了光纤光栅传感器的数学模型，以深化对光纤传感技术的了解。2)对海洋平台建立了整体的有限元模型，并进行了模态分析。建立了平台的实体模型，分析了该平台的模态参数。并通过仿真建模，分别对海洋平台的一个桩腿，水平撑和斜撑出现不同程度损伤时的模态进行了分析，并提取了损伤平台的模态参数，以供本文进行海洋平台的损伤诊断使用。3)利用神经网络中的BP网络，对海洋平台的损伤状况进行综合诊断。本文介绍了神经网络的结构和工作原理，尤其是BP网络的结构和工作原理，并对BP网络的各种主要算法和改进算法做了分析说明。在本文最后，通过对平台在不同位置和不同程度出现的损伤的有限元仿真，计算出了平台的模态频率和模态振型，并以它们作为构成BP网络的训练和检测样本的原始数据，构建了BP网络，对平台的损伤做了综合诊断，发现并确定了损伤的位置和程度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章引言  9-22
  1.1 选题的目的及意义  9-10
  1.2 课题国内外研究现状和发展趋势  10-20
    1.2.1 结构损伤识别的现状和发展  10-13
    1.2.2 海洋平台的健康监测现状  13-18
    1.2.3 光纤传感器在结构损伤识别领域的现状  18-19
    1.2.4 基于神经网络的结构损伤的现状  19-20
  1.3 课题的研究内容  20-22
第2章光纤光栅传感器的工作原理  22-33
  2.1 光纤光栅传感器及光纤光栅传感原理  23-26
    2.1.1 光纤传感器简介  23-25
    2.1.2 光纤光栅传感原理  25-26
  2.2 光纤光栅传感器解调方法  26-32
    2.2.1 光谱分析法  26-27
    2.2.2 波长扫描法  27-29
    2.2.3 光学滤波法  29-30
    2.2.4 分振幅干涉法  30-32
    2.2.5 匹配光栅法  32
  2.3 小结  32-33
第3章光纤传感器在结构损伤监测中的应用研究  33-46
  3.1 光纤传感器的优化配置原理  33-37
    3.1.1 基于QR分解的传感器配置原理  34-36
    3.1.2 模态置信度MAC矩阵  36
    3.1.3 变形能  36-37
  3.2 光纤光栅应变传感器模型  37-43
    3.2.1 均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型  37-41
    3.2.2 温度模型  41-42
    3.2.3 应变—温度耦合模型  42-43
  3.3 光纤光栅传感器在应用中的几个关键问题  43-45
    3.3.1 埋设和保护  43-44
    3.3.2 温度补偿  44
    3.3.3 分布传感与网络化  44-45
  3.4 小结  45-46
第4章神经网络基本原理及在结构损伤诊断中的应用研究  46-61
  4.1 神经网络及其特点  46-50
    4.1.1 神经网络概述  46-49
    4.1.2 神经网络的特点  49-50
  4.2 BP网络及BP算法  50-55
    4.2.1 BP网络  50-53
    4.2.2 BP算法  53-55
  4.3 BP算法的不足与改进  55-57
    4.3.1 BP算法的不足  55-56
    4.3.2 BP算法的改进  56-57
  4.4 神经网络方法在损伤诊断中的应用  57-60
  4.5 小结  60-61
第5章基于神经网络的海洋平台损伤诊断分析  61-77
  5.1 海洋平台结构的有限元模态分析  61-69
    5.1.1 海洋平台的有限元仿真  61-66
    5.1.2 海洋平台的模态分析  66-69
  5.2 基于BP网络的海洋平台损伤诊断  69-76
    5.2.1 有损伤的海洋平台的模型构建  69-71
    5.2.2 频率和振型组合损伤识别指标的构造  71-72
    5.2.3 利用BP网络对海洋平台损伤的诊断  72-76
  5.3 小结  76-77
第6章总结与展望  77-78
  6.1 总结  77
  6.2 展望  77-78
参考文献  78-81
致谢  81-82
攻读硕士学位期间发表的论文  82

基于人工神经网络的海洋平台损伤诊断技术研究

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