船舶彈性變形實時監測方法

梁永康 段仲兵

摘? ? 要：隨著2015年CCS規范推出了船舶總體變形監測的船舶入級符號，以及大型半潛船、散貨船、油船、集裝箱船的船東對船舶變形監測的高度關注，越來越多貨船安裝船舶總體變形監測系統。為船舶裝載、航行安全需要，一套能夠不受海上波浪影響，準確反映船舶變形并記錄船舶變形和交變變形的裝置非常重要。本文對船舶傳統變形測量系統分析，提出利用液體靜壓強帕斯卡定律設計船舶彈性變形監測管網，解決船舶波浪干擾下獲得準確的船體變形問題，為設計船舶總體變形監測系統提供參考。

關鍵詞：船舶總體變形;變形監測

中圖分類號：U663.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： With the introduction of ship classification symbol of ship overall deformation monitoring in CCS code in 2015， as well as the high concern of shipowners of large semi-submersible ships， bulk carriers， oil tankers and container ships to ship deformation monitoring， more and more cargo ships install ship overall deformation monitoring system. In order to meet the needs of ship loading and navigation safety， it is very important to accurately reflect ship deformation and record ship deformation and cross deformation without being affected by sea waves. Based on the analysis of the traditional deformation measurement system of ships， this paper puts forward the design of ship elastic deformation monitoring pipe network by using the law of hydrostatic pressure Pascal， so as to solve the problem of obtaining accurate ship deformation under wave interference， and to provide a reference for the design of ship overall deformation monitoring system.

Key words： overall deformation of ships; deformation monitoring

1? ? 引言

船舶航行時會承受各種力的作用，其中隨機波浪力沖擊船體引起船舶縱向彎曲、前后扭曲，向船舶中部施加隨機的波浪彎矩，在船體甲板面、底部外板邊沿產生由交變應力引起的疲勞裂紋，雖然結構總體功能沒有立即喪失，卻留下隱患。有些船舶遇惡劣天氣的長波浪沖擊，又或裝卸不當，使船舶承受過大的總縱變曲力矩，致局部構件產生塑性變形，周邊構件連鎖反應，致船舶在海上斷裂。因此防止船舶斷裂需了解船舶所受的總縱彎矩、交變彎矩及其發生次數。國內船舶上測量船舶載荷的設施，按CCS船級社要求是船體外板上標注的吃水水尺，現在海上船舶一般配有吃水傳感器，可以在船上工作站反映出首舯尾的吃水情況，可以得知船舶載荷情況及船體彎曲情況。但海上波浪較大時，吃水傳感器讀數受船外升沉波浪影響，并不能準確反映船舶載荷變化和船體變形情況。因此，一套能夠不受海上波浪影響，準確反映船舶變形并記錄船舶變形和交變形的裝置非常重要。另外，在2015年CCS規范推出了船舶總體變形監測的船舶入級符號，將來的貨運船舶，如半潛船、散貨船、油船、集裝箱船安裝變形監測系統是大勢所趨。

2? ?常規貨船變形測量系統

常規貨船均安裝有船舶四角吃水傳感器和首舯尾吃水水尺，在裝載貨物或在航行過程中，通過監測船舶吃水刻度或吃水傳感器計算船舶的吃水情況，從而推斷船舶是否變形、裝載是否合理;但在船舶航行過程中，通過船舶吃水計算船舶變形就很不準確，因為吃水傳感器會受到船舶航行過程中產生的船舶底部海水壓力場或海面波浪的影響，吃水傳感器數值不斷變化，并不能準確反映船舶吃水。

3? ?船舶彈性變形實時監測方法

有感于常規貨船以四角吃水或水尺計算船舶變形的不足，研究開發船舶變形實時監測系統;運用流體靜壓強帕斯卡定律，設計一套呈現魚骨狀的密閉管網測量系統測量船舶變形，使測量方法不受海水波浪影響，實現測量精度高，測量時效性強。并利用計算機系統，實時顯示船舶當前姿態、變形情況、變形次數數據及最大變形值等等，通過與船舶有限元總縱強度計算結果對比進行航行船舶總縱強度風險評估。

4? ?船舶彈性變形實時監測原理

4.1? 船體撓度變形計算

船舶在營運過程中，要承受各種外力，諸如重力、浮力、搖擺時的慣性力、水阻力及波浪的沖擊力等。根據船舶的裝載工況與在波浪中波峰與波谷的位置，取最不利的裝載工況為計算狀態，計算船舶總縱彎曲。

在分析船體強度時，通常將船體視作一變剖面的空心梁，只考慮沿其船長方向，承受不均勻分布的重力與浮力，使船體產生總縱彎曲。船體總縱彎曲的彎曲撓度曲線：

（1）式中：v（x）為船體的撓度，I（x）為距船尾X處的船體縱向構件的剖面慣性矩，E為船體材料彈性模量，M（x）為距船尾X處船體的彎矩值。

剪切撓度一般僅為彎曲撓度的10%左右，所以通常都不計算。

按照船體結構構建全船的總剛度矩陣， 以船體所受的重力與浮力構建總外力矩陣，通過船體結構有限元分析運算，可模擬計算船體總縱強度內船體受力各部份的節點位移值。船體結構的總剛度矩陣與全部節點位移和外力關系如下：

（2）上式可縮寫為：

式中：K為總剛度矩陣，U為總位移矩陣，P為總外力矩陣。

通過上述兩種方法計算出船體的理論總縱彎曲，在實船上測出船體實際變形值，通過比較實際變形值與理論最大位移值，推測船體所受載荷是否在安全范圍之內;在測量船體變形值同時，記錄船體變形循環交變次數，通過比較船體變形次數與產生塑性位移交變次數，推測船體是否可能產生疲勞破壞。

4.2? 船舶變形測量

根據流體靜壓強帕斯卡定律，不可壓縮靜止液體中的任一點受外力產生壓力增量，只要不破壞流體的平衡，此壓力增量會大小不變地迅速傳遞到靜止流體各點，而且與壓強的大小和容器的形狀無關。液面下任意兩點壓強關系公式：

式中：Pa為液體內a點的壓強，Pb為液體內b點的壓強 ，ρ為液體的容重，H為a點和b點在液面下的深度差。根據壓強差公式（3），設計若干長度的內部充滿液體的密閉管路，管路上布置若干只壓力傳感器，當管路上下彎曲并帶動管路上壓力傳感器上下移動后，通過讀取傳感器的壓強數值，即可測出每相鄰傳感器之間的高度差。

4.3? 壓強傳遞速度的影響

在密閉容器內液體受微弱擾動時，將產生壓力的微小變化，并向四周傳播，這種微小的壓力波的傳播速度為聲速。

式中：C為聲速，B為流體的體積彈性模量，ρ為液體的密度;當中a點與b點位置上下移位時，兩點的壓強因所受質量力作用不斷變化，a點與b點位置變化的壓強以聲速傳遞，按式（4）計算出約為1 480 m/s的速度傳遞。

船舶搖動帶動密閉壓力管網及其傳感器搖動，傳感器位置垂蕩距離取值為8 m，搖蕩周期為6～10 s，a和b點壓強變化率為4～1 mH2O/s，壓力信號傳遞速度為1480 m/s，傳感器a與b點水平距離取30 m，這時壓力傳感器捕捉到管網中壓強的滯后時間約0.02 s，滯后壓強約0.03 mH2O。

4.4? 傳感器精度

傳感器的最大測量范圍包括船舶最大縱遙、橫搖時兩端傳感器最大高差，船舶變形量一般為0～300 mm，一般量程范圍不超過10 m。為了準確測出船舶總體的微變形尺寸，傳感器的滿量程精度為0.2%或更高，此時測量變形精度可求厘米級。

4.5? 信號采集頻率

大型船舶的搖蕩運動主要是由于波浪干擾引起，遠洋船舶最常碰到的主要波長60 m～100 m，此時一般船舶搖蕩周期6 s～12 s。根據耐奎斯特采樣理論，采樣頻率必須是信號最高頻率的兩倍以上，采集到的數據才可以有效地復現出原始的采集信號。為了保證采樣的精確性，采集器的采樣速率至少為船舶搖蕩周期的2倍。

在一個掃描周期內，輸入采樣階段一過，輸入狀態的任何變化不被采樣。船舶縱搖周期，橫搖周期6～12 s，采集周期取值3 s。船搖過程中，傳感器數值不斷變化，信號掃描周期應該盡量窄，設傳感器點上下搖動距離為8 m，周期為6 s，傳感器變化率為1.1 m/s，船舶變形可接受精度為10 mm，即傳感器掃描周期不應大于1 m/s÷10 mm=0.01s。為確保采樣信號精度，各傳感器的取樣同步時間應不大于0.005s。

4.6? 三維坐標轉換

大部份情況下船舶變形的同時伴隨有船舶微傾斜，這時測出的測量船舶變形數據應將船舶傾斜的影響消除，才能反映出船舶形變的真實數據。因此需要將測量出的傳感器高度數據結合傳感器初始平面位置數據組成三維數據，通過三維坐標轉換，即模擬轉平船舶的過程，消除船舶傾斜的數據影響之后得出船舶變形的數據。

將船舶首尾縱向扶平，計算撓度轉角，繞Y軸轉動，轉角為：

將船舶的舯部橫向扶平，需計算扭度轉角，繞X軸轉動，轉角為：

XYZ坐標數組三維轉換公式：

式中：[xyz]為轉換的三維坐標，[XYZ]為原始三維坐標，T為變換矩陣。

4.7? 數值分析

經三維坐標變換后，對撓度傳感器的Z值分析，計算船舶撓度值;

取首、中、尾三處坐標數組，以船中水平橫向為基準，計算船舶扭轉角;

得出的船舶撓度值、扭轉角，通過與空心梁理論及有限元方法計算出的船體最大撓度值和扭轉角進行比較，進行船體變形損傷風險評估;通過長期的數據收集，得出船舶交變數據集，并進行船舶結構疲勞失效評估。

船舶縱彎曲可靠性評估：

在n個波浪彎矩紀錄中，船體梁總失效概率近似等于靜水中失效概率加上n倍的由于一個波浪彎矩紀錄中的失效概率：

式中：第一項為靜水彎矩的函數， 為標準差。為均值，為構件折減系數，為總彎矩。

船體構件疲勞分析：

S-N曲線采用英國能源部經修正的非管節點的8根基本S-N曲線，適用于屈服強度小于400 N/mm2的鋼材，見圖2。

S-N每根曲線表示一類結構節點所受的交變應力范圍值S與疲勞損壞力循環次數N的關系。

5? ?船舶彈性變形實時監測系統設計

5.1? 管系原理圖設計

采用上述方法，設計密閉壓差測量管網，由一路縱向布置的直管和六條橫向布置的支管組成密閉管網。

圖中：1-撓度傳感器，2-扭度傳感器，3-三通閥，4-截止閥，5-放氣閥，6-自動補水閥

5.2? 船舶縱向撓度變形計算

圖3計算機將收到的各壓強信號，結合各傳感器在船上的初始平面位置，進行船體變形計算。根據靜止液體中某點的壓強與該點所處深度是線性關系，傳感器在船上所在縱向位置為XY坐標系中的X值，設傳感器的壓強為XY坐標系中的Y值。各撓度傳感器的（X、Y）值通過二維坐標變換，得出坐標系中首和尾撓度傳感器所連成的直線與X軸平行的一幅各傳感器的壓強分布圖;計算機按兩點壓強關系公式計算相鄰傳感器的高差，以首、尾傳感器為基準標注出其它傳感器Y方向的高度位置，繪出一幅各傳感器高差分布圖，如圖4，用樣條曲線將高度分布圖上各點相連，可得出船舶縱向撓度變形圖。

5.3? 船舶橫向扭曲變形計算

扭度傳感器設置首、舯、尾三組，每組扭度傳感器在船上左右舷對稱布置，測量各扭度傳感器壓強，得出扭度傳感器壓強分布圖，通過二維坐標變換，得出各組扭度傳感器兩點之間的壓強差;按兩點壓強關系公式計算扭度傳感器的高差，將坐標系中的各組扭度傳感器以直線相連為尾，得出船舶橫向扭曲角，如圖5所示。

5.4? 船舶彈性變形實時監測系統布置

船舶彈性變形實時監測管系圖（圖3）的撓度傳感器1和扭度傳感器2采用壓電式壓力傳感器;主管路和支管路是連通的密閉管網，管網在船上水平安裝，管網的縱向主管路平行于船舶的基線，管網的支管路平行于船舶的肋位，管網在船上一般布置在縱向的主船體管遂或通道;管網內充注淡水，充注淡水前應除氣，為避免管路內低溫凍結，淡水中加防凍和防腐劑。

布置在船上的監測管網為更好的隨船舶變形，散貨船管網布置靠近船體的底部，主要方便在底部管遂布置管網;散貨船和集裝船甲板面多為艙口圍，主甲板出現較多應力集中、且變形最大的甲板，有條件時布置在甲板面下更好，以便更準確測量最大變形值。

船舶下水前，需測量各變形傳感器的最終安裝位置，位置數據錄入系統作初始值。

6? ?結論

隨著2015年CCS規范推出了船舶總體變形監測的船舶入級符號，以及大型半潛船、散貨船、油船、集裝箱船的船東對船舶變形監測的高度關注，越來越多貨船安裝船舶總體變形監測系統。本文對船舶傳統變形測量系統分析，提出利用液體靜壓強帕斯卡定律設計船舶彈性變形監測管網，解決船舶波浪干擾下獲得準確的船體變形量問題，為船舶總體變形監測設計提供一定參考，另外也為市場多提供一種測量船舶總體變形經濟而有效的方法和裝置。

參考文獻

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