基于應(yīng)力測(cè)量和響應(yīng)技術(shù)的船舶結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)

李卿漢，袁宇波

(1. 中國(guó)船級(jí)社 青島分社建造處，山東 青島 266000；2. 啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226251)

0 引 言

船舶的航行工況非常復(fù)雜，一方面受到海上惡劣的氣象和水文條件影響，船體結(jié)構(gòu)往往承受著復(fù)雜多變的沖擊力和力矩，對(duì)于受載復(fù)雜的船舶結(jié)構(gòu)來(lái)講，其結(jié)構(gòu)可靠性受到很大挑戰(zhàn)；另一方面，船舶設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程含有一定的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)缺陷，比如設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足、裝配精度差等問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)使得船體結(jié)構(gòu)在干擾作用下發(fā)生破壞。因此，提高船舶結(jié)構(gòu)的可靠性監(jiān)測(cè)水平，實(shí)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)破壞的在線監(jiān)測(cè)有重要的意義。

應(yīng)力測(cè)量和響應(yīng)技術(shù)是基于船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力特點(diǎn)開(kāi)發(fā)出的一種船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)采集一段時(shí)間內(nèi)船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力信息，判斷船舶當(dāng)前結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并及早發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波動(dòng)較大或應(yīng)力異常的位置，提高船舶的結(jié)構(gòu)安全性。本文介紹船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測(cè)量原理，結(jié)合光纖光柵應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)船舶結(jié)構(gòu)可靠性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的原理、構(gòu)成及測(cè)試仿真等內(nèi)容進(jìn)行研究。

1 船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)量和響應(yīng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)量統(tǒng)計(jì)原理

考慮船舶在正常工作下，波浪載荷是最常見(jiàn)和最廣泛的一種載荷形式，由于波浪載荷導(dǎo)致的船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力也具有一定的代表性。通常，在波浪載荷的結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，但從整體上應(yīng)服從短期Rayleigh分布，如圖1所示。

圖1 船舶應(yīng)力幅值的Rayleigh分布示意圖Fig. 1 Rayleigh distribution diagram of ship stress amplitude

船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值樣本的測(cè)量過(guò)程如下：

假設(shè)=(,,···,x)是采集的一組船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值，樣本的個(gè)數(shù)為，樣本的均值ˉ和 方差，表示為

第個(gè)樣本數(shù)據(jù)的原點(diǎn)矩為：

樣本的階原點(diǎn)矩為：

當(dāng)船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力樣本的量足夠多時(shí)，可以用樣本的二階原點(diǎn)矩作為樣本的方差，表示為：

則應(yīng)力樣本的均值和方差可簡(jiǎn)化為：

可得結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值的數(shù)學(xué)期望為：

在采集船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)時(shí)，為了提高結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)的處理速度和安全性，采取了數(shù)據(jù)分塊處理技術(shù)。假定樣本容量為n，將樣本分為個(gè)分塊，則分塊數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望表示為：

1.2 船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)量中光纖光柵傳感器技術(shù)的應(yīng)用

光纖光柵傳感器是目前應(yīng)用非常廣泛的一種應(yīng)力測(cè)量傳感器，它利用光波傳輸原理，將采集的結(jié)構(gòu)應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號(hào)，用光學(xué)信號(hào)的波長(zhǎng)變化來(lái)表示結(jié)構(gòu)應(yīng)力的大小，并結(jié)合信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)讀取應(yīng)力的大小。

船舶應(yīng)力測(cè)量采用的光纖光柵傳感器原理如圖2所示：

圖2 應(yīng)力測(cè)量采用的光纖光柵傳感器原理Fig. 2 Principle of fiber grating sensor used in stress measurement

光纖光柵傳感器的光譜波長(zhǎng)用下式計(jì)算：

式中：λ為傳感器的中心波長(zhǎng)， 為光纖的折射率，T為光柵的信號(hào)周期。

光纖光柵波長(zhǎng)信號(hào)具有溫度敏感性，受溫度的影響波長(zhǎng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定的偏移，如下式：

式中：ε為溫度。

對(duì)偏移方程進(jìn)行微分得：

光纖光柵傳感器的力學(xué)特性模型用下式表示：

式中： Δ λ為 應(yīng)力變化導(dǎo)致的傳感器波長(zhǎng)變化，和分別為傳感器在2個(gè)方向受到的應(yīng)力，為波長(zhǎng)的變化率。

光纖光柵傳感器靈敏度如下式：

光纖光柵傳感器的線性誤差用下式計(jì)算：

式中：m為 傳感器實(shí)測(cè)應(yīng)力均值，m為應(yīng)力數(shù)據(jù)的擬合值。

光纖光柵傳感器的靈敏度和誤差特性曲線如圖3所示。

圖3 光纖光柵傳感器的靈敏度和誤差特性曲線Fig. 3 Sensitivity and error characteristic curve of fiber grating sensor

2 船舶應(yīng)力測(cè)量和相應(yīng)技術(shù)的結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 船舶結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

結(jié)合光纖光柵傳感器、電控系統(tǒng)、解調(diào)儀等部件，設(shè)計(jì)一種針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)量的可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用船舶結(jié)構(gòu)由于受力產(chǎn)生的光纖光柵傳感器信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出給控制器的信號(hào)處理模塊。通過(guò)信號(hào)處理模塊的識(shí)別，獲取船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)值。

本文設(shè)計(jì)的船舶結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖4所示。

基于本文開(kāi)發(fā)的船舶結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)的功能包括：

1)應(yīng)力采集功能

應(yīng)力采集功能是本系統(tǒng)最基礎(chǔ)的功能，結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)光纖光柵傳感器獲取實(shí)時(shí)的船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)和電信號(hào)的轉(zhuǎn)變，將船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化，再通過(guò)解調(diào)儀和信號(hào)處理模塊轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的結(jié)構(gòu)應(yīng)力信號(hào)。

圖4 船舶結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體構(gòu)成Fig. 4 Overall composition of ship structure reliability monitoring system

在布置光纖光柵傳感器時(shí)，重點(diǎn)部署船體龍骨、肋板、船側(cè)板等工作環(huán)境較復(fù)雜的位置，利用夾持裝置和應(yīng)變片結(jié)合，圖5為船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)的光纖光柵傳感器的部署原理圖。

圖5 船舶光纖光柵傳感器的部署原理圖Fig. 5 Deployment schematic diagram of ship fiber grating sensor

2)缺陷檢測(cè)功能

船舶結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采集和分析船舶關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)中存在應(yīng)力異常的區(qū)域，在相同的外界載荷作用下，應(yīng)力異常較集中的位置往往存在著一定的設(shè)計(jì)缺陷，比如設(shè)計(jì)強(qiáng)度較弱等。利用船舶結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以識(shí)別出具有缺陷的船體結(jié)構(gòu)，有利于后續(xù)船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

船舶焊縫等應(yīng)力較集中的區(qū)域在疲勞載荷的作用下可能會(huì)產(chǎn)生疲勞失效，利用船舶結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以主動(dòng)獲取這些區(qū)域的應(yīng)力變化規(guī)律，將光纖光柵傳感器采集的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)船體的區(qū)域強(qiáng)度評(píng)估。

(4)報(bào)警功能；

一旦系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力的異常情況，系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警邏輯，提醒用戶當(dāng)前船舶結(jié)構(gòu)的可靠性異常狀態(tài)。

2.2 船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能測(cè)試

對(duì)船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，輸入的波浪載荷為：

式中：ζ為波浪波幅，A為波浪載荷的幅值，ω為波浪載荷的頻率，ε為相位，ξ為隨機(jī)初始相位。

在該初始條件下，采集到船舶局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力數(shù)據(jù)云圖如圖6所示。

圖6 船舶局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力數(shù)據(jù)云圖Fig. 6 Stress data cloud diagram of local structure of ship

3 結(jié) 論

本文針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)力的特性，設(shè)計(jì)一種基于光纖光柵傳感器的船舶結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別從應(yīng)力數(shù)據(jù)采集的原理、光纖光柵傳感器的基本特性和原理、船舶結(jié)構(gòu)可靠性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成、系統(tǒng)的測(cè)試仿真等進(jìn)行研究。