艦船修理期間船體變形因素分析及測量方法研究

劉亦敏

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

維修理論

艦船修理期間船體變形因素分析及測量方法研究

劉亦敏

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

文章結(jié)合某型船推進(jìn)柴油機(jī)出艙工程，分析了艦船等級修理或改換裝期間船體變形產(chǎn)生的原因、種類以及對艦載武器系統(tǒng)等的影響；結(jié)合目前的應(yīng)用現(xiàn)狀，對常用的船體變形測量技術(shù)研究方法進(jìn)行了介紹，包括應(yīng)變片測量法、光學(xué)測量法、慣性測量法及攝像測量法。著重研究了攝像測量在大型設(shè)備出艙工程中的應(yīng)用情況，對開展修理中的變形監(jiān)測與控制具有理論及實(shí)踐指導(dǎo)意義。

艦船；船體變形；設(shè)備出艙；變形測量；攝像測量

艦船船體是由金屬材料制成的，本身具有很高的硬度和剛性，但船體是由龍骨、肋骨等金屬框架支撐的薄板結(jié)構(gòu)，雖然在安裝大型設(shè)備的部位都進(jìn)行了緊固，但在自身載荷、波浪、施工操作等外部環(huán)境和應(yīng)力影響下，船體仍會發(fā)生變形。

船體結(jié)構(gòu)變形包括靜態(tài)變形和動態(tài)變形，可分為如下幾種情況：①由于所載貨物和燃料的變化以及船體不均勻日曬等因素的影響導(dǎo)致的靜態(tài)變形，即在瞬時檢測中可以認(rèn)為是不變的；②由于海浪的沖擊、船體運(yùn)動干擾及人為操作等因素引起動態(tài)變形，即就檢測時間而言，變化較快；③艦船在等級修理或改裝期間，由于大型設(shè)備進(jìn)出艙，甲板開口、加強(qiáng)、回裝等操作導(dǎo)致的甲板結(jié)構(gòu)局部變形。

近年來，各種型號艦船的修理和改裝進(jìn)入了高峰期，尤其是大批量艦船使用時間達(dá)十年以上，面臨大型設(shè)備的出艙修理、換新?lián)Q型等工程。例如某型船等級修理暨巡航柴油機(jī)出艙換新工程，該工程涉及船體多層甲板的大型開口及部分主要結(jié)構(gòu)的拆除及恢復(fù)等。文章就修理或改裝期間，船體變形的分類、能引起變形的主要因素、不同的變形量測量方法等進(jìn)行研究與分析，并對攝像測量法在測量修理期間船體變形上的應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1 船體結(jié)構(gòu)變形因素分析

現(xiàn)代艦船的武器系統(tǒng)對精度和可靠性等要求日益提高，而各武器系統(tǒng)均以所處甲板位置準(zhǔn)確的局部姿態(tài)為依據(jù)。如圖1所示，當(dāng)甲板出現(xiàn)變形時，主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與雷達(dá)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)之間就會出現(xiàn)一個坐標(biāo)失調(diào)角，將使得各站位點(diǎn)處的局部姿態(tài)與主慣性導(dǎo)航姿態(tài)存在較大的差異，會引起傳遞對準(zhǔn)的誤差[1-2]，可能嚴(yán)重影響艦載武器系統(tǒng)的精度。

圖1 船體結(jié)構(gòu)變形影響示意圖

船體在修理或改裝的過程中，其結(jié)構(gòu)上原先的受力平衡被破壞，建立起另一種新的受力平衡的過程就是變形。變形是無處不在的，有些變形通常沒有對艦船結(jié)構(gòu)的正常使用產(chǎn)生影響，而有些超過限制的變形會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)功能失效甚至是無法正常使用，必須避免或消除。

從修理或改裝期間的施工工藝過程來看，其變形主要分為以下幾種：施工期間的氣割、焊接變形；結(jié)構(gòu)大開口的設(shè)置帶來的局部變形；持續(xù)受力構(gòu)件被破壞、結(jié)構(gòu)受力增加或艦船吃水變化等導(dǎo)致的變形。

1.1 氣割、焊接變形

施工期間在船體甲板、部分設(shè)備基座、工藝口上進(jìn)行切割、焊接，在開口區(qū)域周圍增加支柱，焊接吊耳等操作均可能導(dǎo)致變形。

氣割是局部加熱和快速冷卻的過程，氣割熱源(主要是燃燒反應(yīng)熱)作用切口區(qū)的材料被加熱到相變點(diǎn)以上，產(chǎn)生塑性變形，周圍的材料也因此受到熱影響，在冷卻時部分變形不能恢復(fù)，造成永久變形。

結(jié)構(gòu)焊接是一種不均勻的加熱過程，可分為在焊接熱過程中發(fā)生的瞬態(tài)熱變形及在室溫條件下的殘余變形。焊接過程中，焊縫區(qū)域受熱部位膨脹，周圍不受熱部位阻止受熱部位膨脹而產(chǎn)生的壓縮塑性變形，冷卻后焊縫及其附近鋼材因收縮而造成結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力變形[3]。

1.2 結(jié)構(gòu)大開口引起的局部變形

主要是修理或改裝期間船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，如因大型設(shè)備出艙需要而設(shè)置的結(jié)構(gòu)大開口、強(qiáng)結(jié)構(gòu)、橫梁、艙壁等的破壞。大開口主要位于甲板、輕圍壁、主橫艙壁或舷側(cè)外板上。開口過大容易造成開口周圍變形，艦船?？吭诖a頭時，可認(rèn)為處于靜水狀態(tài)，會發(fā)生左右側(cè)內(nèi)縮變形，若開口周圍甲板上還放置部分設(shè)備，可能造成變形加劇。若開口位于舷側(cè)外板上則容易造成上方外板塌陷而引起變形。

圖2所示為某型船推進(jìn)柴油機(jī)出艙工程中某甲板的開口位置圖，圖3所示為開口甲板的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)示意圖。

圖2 某型船推進(jìn)柴油機(jī)出艙工程中某甲板開口位置圖

圖3 開口甲板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)示意圖

該開口大小為5 700 mm×2 200 mm，盡管盡量避開了艙室及強(qiáng)結(jié)構(gòu)等部位，并在開口前用支柱及T型材進(jìn)行了加強(qiáng)。但由于施工環(huán)境、周期、開口工藝及天氣等因素的影響，如此大的開口仍可能對甲板及周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致變形。

1.3 持續(xù)受力構(gòu)件被破壞或結(jié)構(gòu)受力增加導(dǎo)致的變形

新時代推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化，更加需要在預(yù)防腐敗、營造“孝廉文化”氛圍、開展“孝廉文化”教育，筑牢官員廉潔從政的“道德心理”防線方面下功夫?！靶⑴c廉是人之為人的基本價值，孝廉文化是人類文明體系的重要基礎(chǔ)和有機(jī)內(nèi)容，孝廉文化建設(shè)在當(dāng)代中國社會主義文化建設(shè)和國家治理中具有基礎(chǔ)性的重要地位?！盵2]

持續(xù)受力的構(gòu)件，尤其是船體的縱向構(gòu)件受到破壞時，會引起總縱強(qiáng)度弱化，從而可能致使船體整體的變形，這種變形可能是縱向的也可能是橫向的[4]。這種情況往往出現(xiàn)在改裝過程中，如某些艙室加改艙壁，造成橫斷面上的部分縱向構(gòu)件被切割，需密切關(guān)注切開后的斷面平整度及尺度等，必要時需輔以加強(qiáng)措施。

關(guān)于結(jié)構(gòu)受力增加導(dǎo)致變形則多發(fā)生在大型設(shè)備出艙的過程中。如某型船的推進(jìn)柴油機(jī)出艙，2臺柴油機(jī)各自質(zhì)量約25 t，為了盡量減小甲板開口，2臺機(jī)器共用一個出艙通道。待第一臺機(jī)器出艙后，需在甲板下方強(qiáng)結(jié)構(gòu)上安裝吊碼等工裝設(shè)施，利用葫蘆等將第二臺機(jī)器起吊至一定高度并固定，然后在下方進(jìn)行操作施工。安裝吊碼的位置往往也是大開口處的甲板附近，該甲板在結(jié)構(gòu)大開口的同時，還將持續(xù)承受較大的拉力，成為加劇甲板變形的可能因素之一。

1.4 其它

歷經(jīng)多年使用，需要高級別修理或改裝的艦船，通常吃水會增加不少。船舶結(jié)構(gòu)板材厚度和內(nèi)部構(gòu)件的尺寸大小，與船舶吃水直接相關(guān)。若吃水增加，則結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力將會大大超過其許用應(yīng)力，容易使船中部區(qū)域產(chǎn)生變形，出現(xiàn)中拱或中垂的現(xiàn)象。

在等級修理或改裝施工期間，以上幾種變形往往是相互作用的，導(dǎo)致對各種因素引起的變形測量與控制更為復(fù)雜。

2 結(jié)構(gòu)變形的測量方法研究

目前，可采取的變形測量方法多種多樣，使用最為廣泛的是應(yīng)變傳感器測量、光學(xué)測量等。近年來，隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)、攝影測量學(xué)、計算機(jī)視覺等學(xué)科的發(fā)展，慣性測量和攝像測量也成為測量變形的新興手段。

2.1 應(yīng)變傳感器測量

應(yīng)變測量是在被測部位安裝應(yīng)變片來測量變形的技術(shù)，可用電阻式、電感式等傳感器。通過測量局部線性形變，采用計算方法將長度變形換算為失調(diào)角[5]。該方法簡單、直觀、可操作性強(qiáng)，在工程上應(yīng)用非常廣泛，如在龍骨上粘貼應(yīng)變片等。但是由于艦船結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，且傳感器容易受到外界環(huán)境的影響，信號質(zhì)量較差，很難達(dá)到所要求的精度，只能用于船體變形的大致測量。

光纖光柵傳感器測量也屬于應(yīng)變法的一種，能實(shí)現(xiàn)多物理量的測量，具有測量點(diǎn)多、信息大的優(yōu)點(diǎn)。但光纖測量是由人工完成傳感器的粘貼，難以保證傳感器的安裝位置，導(dǎo)致測量精度降低，同時，若結(jié)構(gòu)的應(yīng)變方向與光纖軸不重合，將會影響測量的真實(shí)性。

2.2 光學(xué)測量

光學(xué)測量是借助各種光學(xué)儀器通過光路的折、反射傳遞，計算光點(diǎn)的位移來測量相對變形的一種方法。該方法既可以測量彎曲變形，也可以測量扭轉(zhuǎn)變形，采用現(xiàn)代圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變形量的實(shí)時測量。

激光測振儀是其中的一種光學(xué)儀器，能實(shí)現(xiàn)非接觸遠(yuǎn)距離測量，因其精度高、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，得到了迅速廣泛的應(yīng)用。激光測振儀利用多普勒原理來測量物體的位移、速度、加速度等數(shù)據(jù)，利用載波技術(shù)將被測物理量的信息轉(zhuǎn)換成為調(diào)頻或調(diào)相信號，最后計算所測頻率與波源的頻率之差[6]。

但在實(shí)際操作中，由于儀器出現(xiàn)振動問題、不能同時多點(diǎn)測量、設(shè)備成本較高、結(jié)構(gòu)過于龐大等原因，在軍用艦船領(lǐng)域應(yīng)用較少。

2.3 慣性測量

慣性測量是通過慣性技術(shù)或裝置對船體變形進(jìn)行測量的1種方法。在船舶上2個不同的部位安裝2個慣性測量組件，若這2個部位之間沒有變形，則兩坐標(biāo)系平行，2個慣性測量組件的輸出是一致的。若2個部位之間存在變形，兩坐標(biāo)系出現(xiàn)不平行情況，2個慣性測量組件所測量出的載體運(yùn)動也不相等，利用兩慣性測量組件輸出信息之差，采用卡爾曼濾波來估算變形角則可得出相對變形量。船體的永久性變形則可直接采用陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行測量[7-8]。

2.4 攝像測量

攝像測量法是在沿艦船長度方向設(shè)一些發(fā)光點(diǎn)，采用大景深攝像機(jī)用同步攝影法測量不同時刻發(fā)光點(diǎn)的相對位移，對圖片進(jìn)行預(yù)處理(如濾除噪聲，線性增強(qiáng)等)，根據(jù)特征點(diǎn)坐標(biāo)的位移來確定變形。

國防科技大學(xué)提出的像機(jī)鏈位姿傳遞攝像測量方法針對大多數(shù)艦載武器系統(tǒng)與主基準(zhǔn)之間不存在直接通視光路的情況，設(shè)置了由攝像機(jī)與標(biāo)志物組合構(gòu)成的像機(jī)鏈，利用待測目標(biāo)、像機(jī)鏈和測量基準(zhǔn)共同構(gòu)成了一個折線光路進(jìn)行位姿姿態(tài)傳遞[9-10]。該方法可用于測量在艦船使用過程中所累積的靜態(tài)變形及由于轉(zhuǎn)舵、碰撞等造成的動態(tài)變形。

在等級修理或改裝期間，由于甲板等結(jié)構(gòu)開口帶來的變形，可采用更為簡便的傳統(tǒng)攝像測量方法，比較開口前后的指定測量部位特征點(diǎn)的位移情況。從圖4知，測量開口各部位的像機(jī)將拍攝到的圖像信息傳輸?shù)椒钟嬎銠C(jī)中，各分計算機(jī)對圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取各特征點(diǎn)對應(yīng)的圖像坐標(biāo)，傳輸至主計算機(jī)，實(shí)時測量并顯示不同時間下特征點(diǎn)坐標(biāo)的變化情況[11]，最終通過比較分析得出變形量。

圖4 攝像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖

該種測量方法比傳統(tǒng)的接觸式測量方法更簡單、直觀、方便，不會對船體結(jié)構(gòu)造成任何損壞，也不需要安裝傳感器，為艦船修理或改裝期間變形的測量提供了可能性。

除此之外，還有GPS測量法、液體壓力測量法、大鋼管基準(zhǔn)法等。

3 結(jié)束語

船體變形測量的方法盡管很多，但大多數(shù)方法的精度、可操作性、費(fèi)用等無法滿足要求。對于修理或改裝期間的變形測量來說，無需實(shí)時測量，比較而言，攝像測量方法具有良好的技術(shù)優(yōu)勢與發(fā)展前景，是目前較為合適的方法之一。

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Combined with the propulsion diesel engine extract from the cabin,the reasons,kinds and influence for weapon shipboard are analyzed for hull deformation during warship hierarchical maintenance or refitting.According to present applicatin,some usual measurements for hull deformation are introduced including strain gauge measurement，optics measurement,strapdown inertia measurement and photography measurement,among which the photography measurement is mainly researched in its application in large equipment extraction.That is of great significance theoretically and practically for monitoring and controlling deformation in ship maintenance.

warship;hull deformation;equipment extraction;deformation measurement;photography measurement

劉亦敏(1986-)，女，湖北荊州人，工程師，碩士，研究方向?yàn)榕灤C合保障。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.013

2016-04-20