基于微動測量原理的高速船艏部結(jié)構(gòu)運動規(guī)律研究

邱 磊，鄭如炎，彭 飛，牟金磊

(1.海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125000 ; 2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

海上高速船[1]是指設(shè)計靜水時速在海上超過25 kn的一類高性能船舶，具有優(yōu)良的操縱性、耐波性、快速性與穩(wěn)定性，主要類型[2]包括滑行艇、水翼船、氣墊船、地效翼船等。我國自主設(shè)計制造的海上高速船正朝著大型化、實用化發(fā)展。

海上高速船在高速航行時，艏部結(jié)構(gòu)不斷遭受到砰擊載荷[3]與波浪載荷作用，若船首空艙結(jié)構(gòu)以整體運動為主，位移方向上存在一致性，即出現(xiàn)“懸臂梁效應(yīng)”，相反，若船首空艙結(jié)構(gòu)以局部運動為主，位移方向上不存在一致性，即未出現(xiàn)“懸臂梁效應(yīng)”。當(dāng)船首結(jié)構(gòu)出現(xiàn)所謂的“懸臂梁效應(yīng)”時，由于海上高速船，尤其是雙體船的特殊性，其在受到橫向力作用下會在“懸臂梁”根部產(chǎn)生支反力，這往往會導(dǎo)致船首結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞裂紋、變形等威脅[4]，嚴(yán)重危害船舶與船員的安全。因此，有必要對海上高速船艏部空艙結(jié)構(gòu)運動規(guī)律進行研究。

首先以某海上高速船為試驗樣船，將微動測量點安裝在試驗樣船艏部結(jié)構(gòu)的典型位置，然后通過微動測量系統(tǒng)測量不同工況下船首片體某縱向構(gòu)件典型位置位移變化情況，進而對艏部結(jié)構(gòu)運動規(guī)律進行研究探討。

1 微動測量系統(tǒng)基本原理

1.1 微動測量系統(tǒng)原理

位移微動測量系統(tǒng)[5]是以攝影測量學(xué)為基礎(chǔ)，主要利用Multipoint軟件對測量數(shù)據(jù)進行實時自動采集與存儲，并采用亞像素定位技術(shù)對相機坐標(biāo)系下的系統(tǒng)拍攝的圖像進行世界坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)、平移等轉(zhuǎn)化計算，進而得到測點在三維世界坐標(biāo)系下的幾何與運動參數(shù)。

1.2 精度估算

當(dāng)試驗儀器穩(wěn)定且測量環(huán)境良好，測量精度[6]主要取決于系統(tǒng)拍攝圖像的放大倍數(shù)以及標(biāo)志點提取的精度。

試驗中位移微動測量系統(tǒng)采用分辨率為1 280×1 024的圖像，儀器視場角為±15′，標(biāo)志點提取的精度為0.2個像素。通過計算可得測量結(jié)果的誤差僅為0.1 mm，可以保證測量結(jié)果的可靠性。

2 實船試驗

2.1 測點布置

試驗中對船首片體內(nèi)舷4個肋位區(qū)間內(nèi)某縱向構(gòu)件4個位置進行位移監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場勘測，#28肋位結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，變形小，故試驗中將初始微動測量儀固定在#28肋位。實際測量中，由于微動測量儀的角度問題，不能直接準(zhǔn)確測量測點4的位移情況，故增設(shè)一個轉(zhuǎn)接微動測量儀，位于#25肋位，具體測點位置如表1所示。4個測點位置的整體分布如圖1所示。

表1 片體內(nèi)舷某縱骨測點位置表

圖1 4個測點的整體分布示意圖

從圖1中不難發(fā)現(xiàn)，實際測點位置均采用標(biāo)靶定點的方法進行標(biāo)定,各測點的十字相交的黑點為實際測量點，測量船首片體內(nèi)舷橫向(x方向)和縱向(y方向)的位移變化。

2.2 試驗工況

試驗共分為2個航次的試驗，分別為低海況下(3級海況以下)和高海況下(4級海況以上)的實船試驗。低海況和高海況試驗中，試驗樣船均相對于波浪取4個浪向角：0°、45°、135°以及180°，低海況航次試驗工況如表2所示，高海況航次試驗工況如表3所示。各航向測試時間為15 min，試驗航向圖如圖2所示。

表2 第一航次試驗工況(低海況下)

表3 第二航次試驗工況(高海況下)

圖2 試驗航向簡圖

3 試驗結(jié)果與分析

對試驗數(shù)據(jù)進行分析，若4個測點在多數(shù)時刻應(yīng)該出現(xiàn)相同方向的位移，且距離參考艙壁越遠，位移應(yīng)該越大，則船首空艙結(jié)構(gòu)以整體運動為主，即出現(xiàn)“懸臂梁效應(yīng)”。相反，若4個測點的運動以局部運動為主，位移方向上不存在一致性，位移測量值不具有明顯的變化規(guī)律，則未出現(xiàn)“懸臂梁效應(yīng)”。試驗數(shù)據(jù)分析流程如圖3所示。

圖3 船首運動規(guī)律分析流程

3.1 測點位移時程曲線

通過對微動測量儀采集的圖像信息進行處理，可得到不同工況下各測點的位移時程數(shù)據(jù)，以第一航次工況1為例，測點1的位移時程曲線如圖4所示。鑒于篇幅關(guān)系，該工況下其他測點以及其他工況下各測點的位移時程曲線未列入本文中。

圖4 測點1測試結(jié)果

3.2 位移時程曲線的濾波處理

對于各測點的位移時程曲線，原始數(shù)據(jù)中存在大量不可忽略的噪聲數(shù)據(jù)，這些噪聲會對實驗結(jié)果產(chǎn)生誤差，影響試驗準(zhǔn)確性以及精度，所以需要對原始數(shù)據(jù)進行濾波等技術(shù)處理[7]。以第一航次工況1為例，經(jīng)過濾波處理的數(shù)據(jù)基本保持了數(shù)據(jù)的變化趨勢和幅值，以0～1 000 s區(qū)間和40～60 s區(qū)間為例，其數(shù)據(jù)處理前后對比分別見圖5和圖6所示。

圖5 0～1 000 s期間數(shù)據(jù)處理前后對比圖

圖6 40～60 s期間數(shù)據(jù)處理圖(濾波前后數(shù)據(jù)對比)

3.3 空艙結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)模式分析

為分析船首結(jié)構(gòu)運動規(guī)律，需要對船首空艙結(jié)構(gòu)在航行中的變形模式進行研究。為確定船首結(jié)構(gòu)的響應(yīng)模式，在數(shù)據(jù)處理過程中，選取了大量的時刻，對比同一時刻下4個測點的變形情況，選取部分如圖7所示。試驗研究表明，各測點在大多數(shù)時刻，未出現(xiàn)“懸臂梁效應(yīng)”，即未呈現(xiàn)明顯的整體運動趨勢。

4 結(jié)束語

通過對某試驗樣船艏部片體縱向構(gòu)件典型位置不同工況下位移變化情況、空艙結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)模式進行初步分析，可以得到如下結(jié)論。

1)試驗中測得4個測點的位移以局部運動為主，整體運動趨勢不明顯，船首結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯的“懸臂梁效應(yīng)”，無需考慮支反力的影響。

2)對海上高速船艏部結(jié)構(gòu)運動規(guī)律的研究，可以證明船首結(jié)構(gòu)主要以局部損傷為主，試驗結(jié)果可為艏部結(jié)構(gòu)疲勞裂紋、變形等機理研究及局部優(yōu)化提供參考。

3)基于微動測量原理的位移測量系統(tǒng)可為船體結(jié)構(gòu)位移測量提供新思路。

圖7 某時刻測點位移變形情況

[1]曹懷昌.“雜交”型海上高速船[J].航海，1993(5):34-35.

[2]OddM.Faltinsen.海上高速船水動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

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[4]任慧龍，翟帥帥，于鵬垚，等.砰擊載荷作用下船首結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)研究[J].中國艦船研究，2013，8(6):14-19.

[5]于起峰，尚洋.攝像測量學(xué)原理與應(yīng)用研究[M].北京:科學(xué)出版社，2009.

[6]范緒奇，徐沖.遠程微動測量儀在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪地理信息，2012，37(4):34-36.

[7]鐘萍，丁曉利.GPS結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測數(shù)據(jù)濾波方法及其性能實驗研究[J].測繪學(xué)報，2007，36(1):31-36.