基于結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測的風帆推力測量方法研究

楊華偉，汪雪良，張濤，陳立，徐春，鄭慶新

基于結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測的風帆推力測量方法研究

楊華偉1,2，汪雪良1,2，張濤1,2，陳立3，徐春1,2，鄭慶新1,2

（1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣州 511458；3.大連船舶重工集團設計研究院有限公司，遼寧 大連 116021）

提出一種用于實船測量的風帆推力測量方法。針對VLCC風帆推力實船測量的需求，首先對風帆推力計算公式和風帆桅桿推力狀態(tài)進行分析，進一步根據(jù)梁結(jié)構(gòu)應變測試方法提出基于應變監(jiān)測的風帆推力測量方法和傳感測點布置方案。通過陸基模擬試驗對風帆推力測量方法進行試驗驗證。傳感測點間結(jié)構(gòu)應變差值隨風帆推力增加而增大，具有顯著線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為0.9965，測試風帆推力與實際推力之間的平均誤差為5%。提出的風帆推力測量方法用于實船測量是切實可行的。

風帆助推裝置；應變監(jiān)測；風帆推力；測量方法；測試推力

隨著全球氣候變暖和人們環(huán)境保護意識的增強，各個行業(yè)對清潔能源應用技術(shù)的需求比以往任何時候都更加迫切，對于船舶遠洋運輸行業(yè)更是如此。船舶遠洋運輸在世界貨物貿(mào)易中起到了非常大的作用，與其他交通工具相比，貨物運輸占比最高，然而大型船舶在航行過程中消耗的能源也是巨大的，如何降低船舶運行能耗和采用新型節(jié)能推進技術(shù)一直是船舶研究和設計者的研究重點。風帆助推技術(shù)是一種利用風能作為清潔能源產(chǎn)生船舶前進動力的技術(shù)，與其他技術(shù)相比，具有顯著的安全性和高效性等特點[1-5]。

風帆助推船最大的優(yōu)點是節(jié)能，通過作用于風帆上的推力為船舶提供前進輔助動力。風帆產(chǎn)生的縱向推力大小是評價風帆船節(jié)能效果的重要指標，有研究者通過風洞模型試驗證明了在合理操帆情況下，船舶最大節(jié)能效果可達5%以上，航速可增加3%[6-8]。對于風帆助推船舶模型，風洞模型試驗可以測試風帆推力，并評價風帆助推裝置的節(jié)能效果；對于航行中的船舶，除通過基于風洞試驗系數(shù)的計算公式計算風帆裝置產(chǎn)生的推力外，目前還沒有長期可用的實船風帆助推裝置推力測量方法[9]。另外，在風帆助推裝置推力系數(shù)風洞試驗中，由于風帆助推裝置模型結(jié)構(gòu)的尺寸較小，風帆模型推力是通過連接船體模型與轉(zhuǎn)動機構(gòu)的測力元件獲得的[6]。對于數(shù)萬噸的實船，采用測力元件連接船體和桅桿轉(zhuǎn)動機構(gòu)是不現(xiàn)實的。因此，研究可用于實船的風帆縱向推力測量方法是很有必要的，具有重要的工程意義。

當前，基于結(jié)構(gòu)應變的健康監(jiān)測技術(shù)被廣泛應用于大型結(jié)構(gòu)物（如橋梁、船舶、潛水器、大壩、鐵路等）的長期連續(xù)在線監(jiān)測，為大型工程結(jié)構(gòu)的安全使用、后期維修及新型結(jié)構(gòu)形式的科學研究起到了重要作用[10-11]。例如，蘇通大橋結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，驗證了索塔群樁基礎的所有監(jiān)測點均無涉及樁基礎安全性的異常信號，通過對有限元計算和離心模型試驗結(jié)果，得到了樁基礎實測沉降和差異沉降值偏小的結(jié)論[12]。另外，江陰長江大橋在建橋初期就建立了結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)，其主要目的是應用現(xiàn)代傳感測試技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡通訊通信技術(shù)對橋梁的工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對在各類外部荷載因素作用下的響應進行實時監(jiān)測，以便及時掌握橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，全面了解橋梁的運營條件及質(zhì)量退化狀況，為橋梁的運營管理、養(yǎng)護維修、可靠性評估提供了依據(jù)[13]。與其他技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)可以利用傳感器對某一對象進行長期連續(xù)的監(jiān)測，而不是單次檢測，具有顯著的實時性特征，因此利用該種監(jiān)測技術(shù)對風帆裝置縱向推力進行連續(xù)測量具有較強的工程可實現(xiàn)性[14-15]。

1 風帆推力

風帆縱向推力（沿船舶前進方向的合力）是沿船長方向的作用力，用T表示，計算公式為[1,9]：

式中：FT為推力系數(shù)；A為船速和自然風的合成速度，m/s；為風帆總面積，m2；為空氣密度，kg/m3。

由式(1)可知，縱向推力T由FT、A、、共4個參數(shù)確定，其中風帆總面積為固定值，F(xiàn)T由風洞模型試驗獲得，也為固定量，合成速度A和空氣密度為動態(tài)變化量，含2個變量。推力系數(shù)FT需通過風帆助推船模型風洞試驗或數(shù)值計算獲得，依賴于風洞試驗或數(shù)值建模計算。對于沒有經(jīng)過風洞試驗或數(shù)值建模計算的風帆助推裝置，則不能通過式(1)計算出風帆產(chǎn)生的推力大小。另外，風洞試驗采用的是縮比模型，通過試驗獲得的推力系數(shù)與實船推力系數(shù)相比，可能會存在較大差異。利用式(1)計算得到的風帆助推裝置推力的準確性較難評價，不利于風帆節(jié)能效果的及時評估。

2 風帆推力測量原理

由文獻[1,16-18]可知，風帆助推船舶在海上航行時，風力載荷會產(chǎn)生沿船舶前進方向的合成推力和橫傾力，推力與橫傾力互相垂直。如圖1所示，風力載荷通過風帆將縱向推力傳遞至船體甲板，從而推動船體前進。當風力垂直于帆面時，推力最大[19]。文中規(guī)定沿船長方向為軸，船寬方向為軸，船體高度方向為軸。圖1中為風帆弦長，為翼型拱度，n為風帆展長，0為風帆幾何中心距離甲板的高度。

圖1 風帆助推裝置推力分析

由結(jié)構(gòu)力學知識可知[20]，縱向推力T會在船體甲板至力作用點之間的風帆桅桿中產(chǎn)生彎矩。設距離船體甲板高度處的彎矩用表示，帆翼幾何中心與甲板之間距離用0表示，則風帆桅桿距離甲板高度為1處的彎矩1可表示為：

由材料力學可知，彎矩與結(jié)構(gòu)應變之間的關(guān)系為：

式中：為構(gòu)件抗彎截面系數(shù)；為材料彈性模量；為構(gòu)件應變。

將式(3)代入式(2)，可得：

式中：1為桅桿1位置處的結(jié)構(gòu)應變，隨風力載荷變化。

式(4)中存在兩個變量1、0，因此采用該式計算風帆縱向推力時，需采用不同類型的傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)應變和風帆高度。為降低實船監(jiān)測復雜度，需將風帆高度變量0消去。

風帆桅桿距離甲板高度2處的彎矩2可表示為：

式(2)減式(5)得：

式中：0為桅桿斷面z與z之間的距離，m。

則風帆縱向推力可進一步表示為：

將式(3)代入式(8)得：

式(8)中僅存在單一變量Δ，因此分別在風帆桅桿相距固定值為0的兩斷面處布置單向應變傳感器，由應變監(jiān)測系統(tǒng)采集應變數(shù)據(jù)，并將實時應變差值Δ代入式(8)，即可在線計算出風帆桅桿縱向推力。該測量方法不受風帆裝置帆翼升降高度的影響。

3 測點布置方案

風帆推力測量對象為VLCC上左右舷橫向?qū)ΨQ布置的風帆助推裝置，風帆高39.68 m，寬14.8 m，共3節(jié)。表1、2分別列出了VLCC及風帆助推裝置的主要參數(shù)[6]。風帆助推裝置實物如圖2所示。

根據(jù)風帆推力測量原理，應變傳感器應布置于風帆桅桿垂直于縱向推力的一個側(cè)面上。考慮到應變測量的靈敏性，靠近船體甲板部位的結(jié)構(gòu)應變最大，因此將應變傳感器布置于風帆桅桿位于底部的第一節(jié)。由風帆縱向推力計算式(8)可知，兩個應變傳感器的應變差值是唯一變量。在同樣風載作用下，兩個應變測點的應變差值越大，推力測量值就越靈敏。由材料力學可知，兩個應變測點之間的應變差值與兩者之間的距離成正比。另外考慮到結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測系統(tǒng)的固有測量誤差，在距離過小的情況下，有可能出現(xiàn)應變測量差值為0或負值的情況，造成推力測量結(jié)果誤差較大，因此兩個應變測點之間的距離應盡量遠一些。綜合考慮桅桿尺度、基座根部應力分布狀態(tài)和結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測系統(tǒng)測量誤差，將第一個應變傳感器布置于桅桿距離基座上方3 m處，第二個應變傳感器布置于基座上方6 m處。風帆推力應變測點布置方案如圖3所示， S1、S2為兩個單向應變傳感器，應變傳感器中心線與桅桿迎風面中心軸重合。

表1 VLCC主要參數(shù)

Tab.1 The main parameters of VLCC

表2 風帆助推裝置主要參數(shù)

Tab.2 The main parameters of sail booster

圖2 左右舷橫向?qū)ΨQ布置的風帆

4 陸基推力模擬試驗

通過陸基推力試驗模擬推力載荷垂直作用于應變傳感器所布置側(cè)面的工況，同時測量出應變測點位置處的結(jié)構(gòu)應變。陸基模擬試驗加載方案如圖4所示，試驗設備由風帆桅桿實物、三角形載荷轉(zhuǎn)換連接板、鋼絲繩、支架、滑輪和配重塊組成。三角形載荷轉(zhuǎn)換板通過焊接方式固定在風帆桅桿的中軸線上。鋼絲繩與載荷轉(zhuǎn)換板連接，將重物塊產(chǎn)生的集中載荷轉(zhuǎn)換為作用于桅桿中軸線上的線載荷，模擬風帆作用于桅桿中軸線上的線載荷。鋼絲繩與水平地面夾角為，配重塊懸掛于鋼絲繩垂直部分尾端，通過配置不同噸位的配重塊實現(xiàn)分級加載。由于試驗所用桅桿為VLCC風帆助推裝置桅桿實物，桅桿陸基固定方法與實船甲板安裝相同，因此模擬加載時所測結(jié)構(gòu)應變就是風帆裝置桅桿的真實應變。陸基模擬試驗前，按照風帆推力測點布置方案在風帆助推裝置第一節(jié)桅桿迎風面布置2個單向應變傳感器，傳感器編號分別為S1、S2，兩應變傳感器間實測距離為3 m。

圖3 風帆推力應變測點布置（單位：mm）

圖4 陸基模擬試驗加載方案

試驗過程中，按照0、10、50、100 kN順序加載。重物加載期間，由結(jié)構(gòu)應變測試系統(tǒng)連續(xù)采集結(jié)構(gòu)應變數(shù)據(jù)，不同載荷階段采集到的結(jié)構(gòu)應變序列曲線如圖5所示。表3列出了S1、S2應變測點在不同噸位時的應變測量平均值和差值。

表3 載荷應變數(shù)據(jù)

圖5 S1、S2測點應變序列曲線

Fig5 The strain sequence curve of S1 and S2

5 數(shù)據(jù)分析

由圖5應變采樣序列曲線可以看出，隨著加載噸位的增加，S1、S2測點應變測量值不斷增大，呈階梯狀；S1、S2應變差值也隨著載荷噸位增加而逐漸增大，載荷噸位越大，兩個傳感器之間的應變差值也越顯著，與式(8)反映的函數(shù)關(guān)系相一致。

由陸基模擬試驗加載方案可知，作用于風帆桅桿迎風面的縱向推力與加載配重塊重力產(chǎn)生的拉力并不相等，由加載重物塊重力產(chǎn)生的縱向推力T為：

式中：為加載重物塊重力，N；為斜拉鋼絲繩與水平地面的夾角。

根據(jù)式(9)，可以計算出重物塊0、10、50、100 kN對應的風帆桅桿縱向推力分別為0、10 cos、50 cos、100 coskN。

將傳感器測點S1、S2應變差值Δ代入式(8)，可得到相應的推力測試值，見表4。由于、為常數(shù)，如果用2/3等價代換10 cos，則11/3、19/3對應的推力量化值可分別表示為55cos、95coskN，列于表4中，表4也列出了實際推力載荷和測試誤差。

表4 試驗測量推力與實際載荷對比

Tab.4 Comparison of test calculated thrust and actual load

由表4所列數(shù)據(jù)可以看出，由應變傳感器S1、S2測得的風帆桅桿縱向推力載荷與實際加載載荷之間的最大誤差為10%，平均誤差為5%，且實際縱向推力與應變差值之間具有顯著的線性關(guān)系。經(jīng)計算，線性相關(guān)系數(shù)為0.9965。這表明基于結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測的桅桿推力測量方法給出的風帆推力結(jié)果是可信的，能夠及時給出風帆產(chǎn)生的縱向推力值。

6 結(jié)論

文中通過風帆助推裝置推力計算公式各參數(shù)分析和風帆桅桿推力狀態(tài)分析，基于結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測技術(shù)提出了一種不依賴風帆助推船舶模型風洞試驗的風帆推力測量方法，給出了VLCC實船風帆裝置推力測量原理和應變傳感器測點布置方案，通過風帆桅桿陸基模擬試驗驗證了測量方法的正確性。通過研究得出了以下結(jié)論：

1）基于結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測的風帆推力測量方法能夠?qū)崟r給出風帆桅桿縱向推力值，方法簡便可行。

2）由于采用實船監(jiān)測數(shù)據(jù)，與其他方法相比，推力測量結(jié)果可信度更高。

3）由于該方法采用兩個應變傳感器的差值計算桅桿推力，因此不受風帆升降高度限制，具有普適性。

4）該方法可實現(xiàn)對沒有經(jīng)過風洞試驗的風帆助推裝置產(chǎn)生的縱向推力測量。

文中僅對風帆推力與傳感器所在桅桿平面垂直工況進行了研究，對于其他任意角度工況下的風帆裝置縱向推力的測量方法還需要進一步開展研究。研究成果可為任意風帆角度下推力測量研究提供參考。

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Study on the Measurement Method of Sail-assisted Thrust Based on Structural Strain Monitoring

YANG Hua-wei1,2, WANG Xue-liang1.2, ZHANG Tao1,2, CHEN Li3, XU Chun1,2, ZHENG Qing-xin1,2

(1. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory, Guangzhou 511458, China; 3. Dalian Shipbuilding Industry group design & research institute Co., Ltd., Dalian 116021, China)

This paper aims to propose a measurement method of sail thrust for real ship measurement. According to the requirement for thrust measurement of VLCC sail booster, the calculation formula of sail thrust and the mechanical state of the sail mast are analyzed, and then according to the strain measurement method of beam structure, the sail thrust measurement method and layout scheme of the measurement sensors based on the structural strain monitoring technology are proposed. The measurement method for sail thrust is verified by land-based load test. The results show that the structural strain difference of the measuring sensors increases with the sail thrust increasing, showing a significant linear relationship, and the linear correlation coefficient is 0.9965. The average error between the tested sail thrust and the actual trust is 5%. The proposed measurement method is feasible for real ship measurement.

sail booster; strain monitoring; sail thrust; measurement method; test thrust

2020-08-13；

2020-09-03

YANG Hua-wei (1981—), Male, Ph.D., Senior engineer, Research focus: structural health monitoring and assessment technology of ship hull.

楊華偉, 汪雪良, 張濤, 等. 基于結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測的風帆推力測量方法研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2021, 18(4): 109-114.

TN98

A

1672-9242(2021)04-0109-06

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.016

2020-08-13；

2020-09-03

南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）人才團隊引進重大專項（GML2019ZD0502）

Fund：Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou) (GML2019ZD0502)

楊華偉（1981—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及評估技術(shù)。

YANG Hua-wei, WANG Xue-liang, ZHANG Tao, et al. Study on the measurement method of sail-assisted thrust based on structural strain monitoring[J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(4): 109-114.