频率平方变化比法和小波变换在压力管道损伤识别中的应用研究
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摘要
当前结构振动识别方法在航空、航天、机械等领域故障诊断
中取得了巨大的成功，同时也引起了工程界的普遍关注，并试图
把它引用到土木工程结构的损伤识别中来，以作为传统方法的补
充，因此对工程结构进行损伤识别、定位和损伤程度评估成为近
年来十分流行的研究课题。本文正是基于以上理论基础和现状，
试图把振动识别方法应用到压力管道的损伤识别上来。
管道运输是与铁路、公路、水运、航运并列的五大运输方式
之一，但是由于其应用的特殊性，往往存在很大的安全隐患，所
以为了防止管道发生破坏，迫切需要对量大面广的压力管道进行
安全评估和寿命预测。本文首先通过查阅相应的国内外文献简要
概括了振动损伤识别方法的最新进展；然后介绍了一种结构振动
识别方法——频率变化平方比法，将其应用到压力管道的损伤识
别上，并对一段压力管道进行了有限元模拟计算损伤检测；其次对
本文所用到的小波理论进行了简要介绍，并且利用小波变换通过
编制相应的程序对同一段压力管道的时域信号进行了损伤检测，
结果表明本文方法在工程损伤检测上具有一定的应用价值，令人
满意。
At present, the damage identification method based on structure vibration was used for trouble diagnosis in aerospace field and mechanical engineering originally, which was focused by civil engineering and introduced to damage identification of civil engineering as a supplement of traditional methods. And so the detection, location and estimation problem of structural damage has been the subject of much current research in recent years. This paper based on the theory of fundament and actuality and attempted the vibration method which of used to damage detection of the stress pipe.
Pipe transportation is one of five top transportation mode, but because of it's particularity of applications, and not seldom exists many a snake in the grass of safety. So in order to hold in the damage of pipe, and required to detect it imminently. Firstly, this paper in brief summarized the updated development of civil and international document through consulted correlative document; secondly put forth a new method----the method of frequency change square ratio; in the next place introduced briefly the theory of wavelet; lastly detected the damage to a pipe used the method of frequency change square ratio and the theory of wavelet, and the result showed the effectiveness of these method in the engineering.
中取得了巨大的成功，同时也引起了工程界的普遍关注，并试图
把它引用到土木工程结构的损伤识别中来，以作为传统方法的补
充，因此对工程结构进行损伤识别、定位和损伤程度评估成为近
年来十分流行的研究课题。本文正是基于以上理论基础和现状，
试图把振动识别方法应用到压力管道的损伤识别上来。
管道运输是与铁路、公路、水运、航运并列的五大运输方式
之一，但是由于其应用的特殊性，往往存在很大的安全隐患，所
以为了防止管道发生破坏，迫切需要对量大面广的压力管道进行
安全评估和寿命预测。本文首先通过查阅相应的国内外文献简要
概括了振动损伤识别方法的最新进展；然后介绍了一种结构振动
识别方法——频率变化平方比法，将其应用到压力管道的损伤识
别上，并对一段压力管道进行了有限元模拟计算损伤检测；其次对
本文所用到的小波理论进行了简要介绍，并且利用小波变换通过
编制相应的程序对同一段压力管道的时域信号进行了损伤检测，
结果表明本文方法在工程损伤检测上具有一定的应用价值，令人
满意。
At present, the damage identification method based on structure vibration was used for trouble diagnosis in aerospace field and mechanical engineering originally, which was focused by civil engineering and introduced to damage identification of civil engineering as a supplement of traditional methods. And so the detection, location and estimation problem of structural damage has been the subject of much current research in recent years. This paper based on the theory of fundament and actuality and attempted the vibration method which of used to damage detection of the stress pipe.
Pipe transportation is one of five top transportation mode, but because of it's particularity of applications, and not seldom exists many a snake in the grass of safety. So in order to hold in the damage of pipe, and required to detect it imminently. Firstly, this paper in brief summarized the updated development of civil and international document through consulted correlative document; secondly put forth a new method----the method of frequency change square ratio; in the next place introduced briefly the theory of wavelet; lastly detected the damage to a pipe used the method of frequency change square ratio and the theory of wavelet, and the result showed the effectiveness of these method in the engineering.
引文
[1] Rubin S, Coppolino R N. Flexibility Monitoring of offshore Jacket platforms . Proc. of the 15th OTC, OTC paper No.4535,1983
[2] Wilkowski G. M. Others. Degraded Piping Program-Phase Ⅱ: Summary of Technical Results and Their Sinificance to Leak-Before-Break and in Service Flaw Acceptance Criteria, March, 1984-Jannary, 1989． NUREG/CR-4082,Vol.8 , U. S. Nuclear Regulatory Commission, Washington, D. C. March, 1989
[3] Wilkowski G. M, Others, Short Cracks in Piping and Piping Welds, Seminnual Reports by Battelle, NUREG/CR-4599, 1991,1(1, 2) ;1992, 2(1, 2) ;1993, 3(1) ;1994 ,4(2) ,U.S. Nuclear Regulatory Commission Washington, D.C.
[4] Schulz H. The Evaluation of the Break Preclusion Concept for Nuclear Power Plant in Germany. Paper, 4, Specialist Meeting on Leak Before Break in Reactor Piping and Vessels. Lyon, France, Otc. 1995
[5] Hoppar A, Mayfield M, Olson R, Overview of the IPIRG-Ⅱ program-Seismic Loaded Cracked Piping System Experiments. SMIRT-13 Conference. Porto Alegre, Brazil, August. 1995
[6] Battelle Columbus Laboratory, NRCPIPE(Version2． 0) A Personal Computer Code for Piping Fracture Mechanics Analysis User' s Guide, Dec.30,1994
[7] Julisch P, Sturm D, Wiedermam J. Exclusion of Rupture for Welded Piping of Power Stations by Componet Tests and Failure Approachs, Nuclear Engineering and design, 1995,158:191-201
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[9] Berman A, Nagy E J. Improvement of a large analytical
model using test data. AIAA Journal, 1983, 21(8) :1168-1173
[10] Lakeshmanan K A, Pines D J. Detecting crack size and location in composites rotorcraft flexbeanms. In: Proceedings of SPIE, Smart Structures and Integrated Systems. San Diego, California. 3-6 March,1997, 408-416
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[12] Hearn G, Testa R B. Modal analysis for damage detection in structures. Journal of Structural Engineering, ASCE, 1991, 117:3042-3063
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[14] Pandey A. K., Biswas M., Samman M. M. . Damage Detection from Changes in Curvature Mode Shapes. Journal of Sound and Vibration, No. 2,1991, pp321-332
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[16] C. P. Raccliffe. Damage Detection Using a Modified Laplacian Operator on Mode shape Data. Journal of Sound and Vibration, No.3, 1997, pp505-517
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[19] K. G. Topole , Norris Stubbs. Nondestructive Damage Evaluation in Complex Structures from a Minimum of Modal Parameters. International Journal of Analytical and Experimental Modal Analysis, Vol.10, No. 2, 1995, pp95-103
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[26] Chondros T.G. Dimarogones A.D. Iddentification of cracks in welded joint of comples structures. J. of Sound an Vib.,1980;69(4):531-538
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[30] 马宏伟，杨桂通。结构损伤探测的基本方法和研究进展，力学进展，Vol．29 No．4，Nov．25，1999
[31] 胡昌华，张军波等。《基于MATLAB的系统分析与设计—小波分析》，西安电子科技大学出版社，西安，1999
[32] 丁德介，李佳升。一种基于实测模态参数的结构损伤诊断方法，湖南大学学报，Vol．22 No．4，Aug 1995
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[34] 董聪。基于动力特性的结构损伤定位方法，力学与实践，Vol．21，1999
[35] 张建霖，姜节胜等。一种结构故障的振动诊断法，应用力学学报，Vol．7 No．1，Mar．1990
[36] 韩良浩，柳曾典。用人工神经网络预测含穿透缺陷受压管道的失效应力，压力容器，Vol．14 No．3，1997
[37] 史治宇，罗绍湘等。结构破损定位的单元模态应变能变化率法，振动工程学报，Vol．11 No．3，Sep．1998
[38] 袁小宏，屈梁生。小波分析及其在压缩机气阀故障检测中的应用研究，振动工程学报，Vol．12 No，3，Sep．1999
[39] 周剑秋，沈士明。确定含环向缺陷压力管道临界裂纹长度的分析研究，压力容器，Vol，14 No．1，1997
[40] 徐宏。压力管道缺陷评定工程方法，华东理工大学博士学位论文，1995
[41] 刘长军，李培宁等。管道评定用A_KV值估算J_IC下限值的工程方法，压力容器，1995
[42] 崔锦泰著，程正兴译。小波分析导论，西安交通大学出版社，西安，1997
[43] 李方泽，刘馥清，王正。工程振动测试与分析，高等教育出版社，1992
[44] 周先雁，沈蒲生等。混凝土平面杆系结构破损评估理论及试验研究，湖南大学学报，Vol．22 No．4，Aug 1995
[45] 张咏今，苗传臣。新技术监测管线腐蚀、裂纹，国外油田工程，1994 5
[46] 赵铁锋等。小管径油、气管线现场磁漏检测系统，国外油田工程，1995 6
[47] 张子瑜，陈进等。一种基于小波级数分解 LMS 自适应除噪方法，振动工程学报，Vol．12 No，1，Mar．1999
[48] 周明等。在役石油管道无损检测方法，无损检测，Vol．21 No，1，Jan．1999
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[50] 寿比南。中、美压力容器标准的对比分析，中国锅炉压力容器安全，Vol．15 No．1，1998
[51] 沈寿林，郑海起等，小波分析在柴油机汽缸动力性能检测与故障诊断中的应用，振动、测试与诊断，Vol．19 No．2，Jun．1999
[52] 丁德介，李佳升。结构局部损伤的一种定量诊断方法，动态分析与测试技术，1995
[53] 仲伟秋。振动测试技术在结构鉴定中的应用研究，大连理工大学硕士学位论文，2000
[54] 张培文。平稳随机振动载荷谱识别方法的试验研究，大连理工大学硕士学位论文，2000
[55] 孙焕纯，曲乃泗，林家浩。《计算结构动力学》，高等教育出版社，1990
[56] 孙焕纯，曲乃泗，林家浩。《高等计算结构动力学》，大连理工大学出版社，大连，1992
[57] 魏兆正，王守新，王梅年，李锋。《材料力学》，大连理工大学出版社，大连，1994
[58] 赵达壮。《工程力学中的数值方法》，中国铁道出版社，北京，1993
[59] 龙驭球，包世华。《结构力学教程》，高等教育出版社，北京，1988
[60] 腾素珍，姜炳蔚，任玉杰，李浩。《数理统计》，大连理工大学出版社，大连，1996
[61] 戴诗亮。《随机振动实验技术》，清华大学出版社，北京，1984
[62] 胡志强，法庆衍等。《随机振动试验应用技术》，中国计量出版社，北京，1996
[63] 阳日，梁琨。《结构力学的计算机方法》，重庆大学出版社，重庆，1989
[64] 王彬。《振动分析及应用》，海潮出版社，北京，1992
[65] 方远侨，陈安宁，董卫平著。《振动模态分析技术》，国防工业出版社，北京，1993
[66] 应怀樵著。《波形和频谱分析与随机数据处理》，中国铁道出版社，北京，1983
[67] 徐定策著。《数字信号处理的基本方法》，成都科技大学出版社，成都，1990
[68] 宋孔德，胡广书著。《数字信号处理》，清华大学出版社，北京，1988
[69] 董绍平，王洋，陈世耕著。《数字信号处理基础》，哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨，1989
[70] 李德葆著。《振动模态分析及其应用》，宇航出版社，北京，1989
[71] 高宝成，时良平，史铁林，杨叔子。基于小波分析的简支梁裂缝识别方法研究，振动工程学报，Vol。10 No．1，Mar，1997
[72] 刘财，张海江，杨宝俊，何敏。小波变换在高分辨率地震勘探数据处理中的应用，长春地质学院学报，Vol．26 No．1，Jan。1996
[73] 程明琦，安建成，郑兆瑞。小波变换和信号的时频局部分析，太原理工大学学报，Vol．30 No．3，May 1999
[74] 程俊，张璞，戴善荣，易克初。小波变换用于信号突变的检测，通信学报，Vol．16 No．3，May 1995
[75] 王真理，李衍达。基于小波的信号部分重构与插值，清华大学学报(自然科学版)，Vol．35 1995，No．5 p67~p72
[76] 王吉军，张冰焰，朱泓，马孝江。一种改进的Morlet小波变换及其工程应用，振动工程学报，Vol．10 1996
[77] 刘红星，林京，屈梁生，李振武。信号时域平均处理中的若干问题探讨，振动工程学报，Vol．10 No．4，Dec．1997
[78] 曾宇清，王卫东，贺启庸。按频带顺序排列的小波包新算法及应用，力学学报，Vol．30，No．2，Mar．1998
[79] 秦叶，陈新度，冯文贤。小波基的选择与振动信号分析，广东工业大学学报，Vol．14 No．4，Dec．1997
[80] 李建平，张万萍，陈延槐，徐问之，多种小波基应用性能分析(1)，重庆大学学报(自然科学版)，Vol．21，No．2，Mar．1998
[81] 李建平，张万萍，陈延槐，徐问之。多种小波基应用性能分析(Ⅱ)，重庆大学学报(自然科学版)，Vol．21，No．4，Jul，1998
[82] 张维锋，刘万锋。子波变换在结构疲劳裂纹动态检测中的应用研究，振动与冲击，Vol，17，No．3，1998
[83] 徐新生，郭杏林等。纵向应力波对裂纹探测研究，河南大学学报，Vol．25，No．2，Jun．1995
[2] Wilkowski G. M. Others. Degraded Piping Program-Phase Ⅱ: Summary of Technical Results and Their Sinificance to Leak-Before-Break and in Service Flaw Acceptance Criteria, March, 1984-Jannary, 1989． NUREG/CR-4082,Vol.8 , U. S. Nuclear Regulatory Commission, Washington, D. C. March, 1989
[3] Wilkowski G. M, Others, Short Cracks in Piping and Piping Welds, Seminnual Reports by Battelle, NUREG/CR-4599, 1991,1(1, 2) ;1992, 2(1, 2) ;1993, 3(1) ;1994 ,4(2) ,U.S. Nuclear Regulatory Commission Washington, D.C.
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[10] Lakeshmanan K A, Pines D J. Detecting crack size and location in composites rotorcraft flexbeanms. In: Proceedings of SPIE, Smart Structures and Integrated Systems. San Diego, California. 3-6 March,1997, 408-416
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[29] 丁学仁，蔡高厅编。《工程中的矩阵理论》天津大学出版社，天津，1985
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[34] 董聪。基于动力特性的结构损伤定位方法，力学与实践，Vol．21，1999
[35] 张建霖，姜节胜等。一种结构故障的振动诊断法，应用力学学报，Vol．7 No．1，Mar．1990
[36] 韩良浩，柳曾典。用人工神经网络预测含穿透缺陷受压管道的失效应力，压力容器，Vol．14 No．3，1997
[37] 史治宇，罗绍湘等。结构破损定位的单元模态应变能变化率法，振动工程学报，Vol．11 No．3，Sep．1998
[38] 袁小宏，屈梁生。小波分析及其在压缩机气阀故障检测中的应用研究，振动工程学报，Vol．12 No，3，Sep．1999
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[46] 赵铁锋等。小管径油、气管线现场磁漏检测系统，国外油田工程，1995 6
[47] 张子瑜，陈进等。一种基于小波级数分解 LMS 自适应除噪方法，振动工程学报，Vol．12 No，1，Mar．1999
[48] 周明等。在役石油管道无损检测方法，无损检测，Vol．21 No，1，Jan．1999
[49] 伍鹤皋，马善定等。三峡水电站坝内埋管非线性有限元分析，武汉水利电力大学学报，Vol．31 No．1，Feb．1998
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[60] 腾素珍，姜炳蔚，任玉杰，李浩。《数理统计》，大连理工大学出版社，大连，1996
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[63] 阳日，梁琨。《结构力学的计算机方法》，重庆大学出版社，重庆，1989
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