基于應力測量和響應技術的船舶結構可靠性監測

李卿漢，袁宇波

(1. 中國船級社 青島分社建造處，山東 青島 266000；2. 啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226251)

0 引 言

船舶的航行工況非常復雜，一方面受到海上惡劣的氣象和水文條件影響，船體結構往往承受著復雜多變的沖擊力和力矩，對于受載復雜的船舶結構來講，其結構可靠性受到很大挑戰；另一方面，船舶設計和裝配過程含有一定的結構細節缺陷，比如設計強度不足、裝配精度差等問題，這些問題會使得船體結構在干擾作用下發生破壞。因此，提高船舶結構的可靠性監測水平，實現船舶結構破壞的在線監測有重要的意義。

應力測量和響應技術是基于船舶結構應力特點開發出的一種船體結構應力在線監測技術，通過采集一段時間內船舶結構的應力信息，判斷船舶當前結構的受力狀態，并及早發現應力波動較大或應力異常的位置，提高船舶的結構安全性。本文介紹船舶結構應力的測量原理，結合光纖光柵應力傳感器設計船舶結構可靠性在線監測系統，并對系統的原理、構成及測試仿真等內容進行研究。

1 船舶結構應力測量和響應技術的研究現狀

1.1 船舶結構應力測量統計原理

考慮船舶在正常工作下，波浪載荷是最常見和最廣泛的一種載荷形式，由于波浪載荷導致的船舶結構應力也具有一定的代表性。通常，在波浪載荷的結構應力幅值具有隨機性的特點，但從整體上應服從短期Rayleigh分布，如圖1所示。

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

船舶結構應力幅值樣本的測量過程如下：

假設=(,,···,x)是采集的一組船舶結構應力幅值，樣本的個數為，樣本的均值ˉ和 方差，表示為

第個樣本數據的原點矩為：

樣本的階原點矩為：

當船舶結構應力樣本的量足夠多時，可以用樣本的二階原點矩作為樣本的方差，表示為：

則應力樣本的均值和方差可簡化為：

可得結構應力幅值的數學期望為：

在采集船舶結構應力數據時，為了提高結構應力數據的處理速度和安全性，采取了數據分塊處理技術。假定樣本容量為n，將樣本分為個分塊，則分塊數據的數學期望表示為：

1.2 船舶結構應力測量中光纖光柵傳感器技術的應用

光纖光柵傳感器是目前應用非常廣泛的一種應力測量傳感器，它利用光波傳輸原理，將采集的結構應力信號轉化為光學信號，用光學信號的波長變化來表示結構應力的大小，并結合信號的調制與解調讀取應力的大小。

船舶應力測量采用的光纖光柵傳感器原理如圖2所示：

圖2 應力測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用下式計算：

式中：λ為傳感器的中心波長， 為光纖的折射率，T為光柵的信號周期。

光纖光柵波長信號具有溫度敏感性，受溫度的影響波長信號會產生一定的偏移，如下式：

式中：ε為溫度。

對偏移方程進行微分得：

光纖光柵傳感器的力學特性模型用下式表示：

式中： Δ λ為 應力變化導致的傳感器波長變化，和分別為傳感器在2個方向受到的應力，為波長的變化率。

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算：

式中：m為 傳感器實測應力均值，m為應力數據的擬合值。

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 船舶應力測量和相應技術的結構可靠性監測系統設計

2.1 船舶結構可靠性監測系統的整體設計

結合光纖光柵傳感器、電控系統、解調儀等部件，設計一種針對船舶結構應力測量的可靠性監測系統，利用船舶結構由于受力產生的光纖光柵傳感器信號，并將信號轉換為電信號輸出給控制器的信號處理模塊。通過信號處理模塊的識別，獲取船體結構的應力監測值。

本文設計的船舶結構可靠性監測系統的整體構成如圖4所示。

基于本文開發的船舶結構可靠性監測系統，可以實現的功能包括：

1)應力采集功能

應力采集功能是本系統最基礎的功能，結構可靠性監測系統能夠通過光纖光柵傳感器獲取實時的船舶結構應力，實現光學信號和電信號的轉變，將船舶結構的應變轉化為光纖光柵傳感器的波長變化，再通過解調儀和信號處理模塊轉化為計算機可以識別的結構應力信號。

圖4 船舶結構可靠性監測系統的整體構成Fig. 4 Overall composition of ship structure reliability monitoring system

在布置光纖光柵傳感器時，重點部署船體龍骨、肋板、船側板等工作環境較復雜的位置，利用夾持裝置和應變片結合，圖5為船舶結構應力檢測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)缺陷檢測功能

船舶結構可靠性監測系統通過采集和分析船舶關鍵結構的應力數據，可以及時發現船體結構中存在應力異常的區域，在相同的外界載荷作用下，應力異常較集中的位置往往存在著一定的設計缺陷，比如設計強度較弱等。利用船舶結構可靠性監測系統的監測數據，可以識別出具有缺陷的船體結構，有利于后續船體結構的優化設計。

3)結構強度評估

船舶焊縫等應力較集中的區域在疲勞載荷的作用下可能會產生疲勞失效，利用船舶結構可靠性監測系統可以主動獲取這些區域的應力變化規律，將光纖光柵傳感器采集的應力進行計算，實現船體的區域強度評估。

(4)報警功能；

一旦系統監測到船舶結構應力的異常情況，系統就會觸發報警邏輯，提醒用戶當前船舶結構的可靠性異常狀態。

2.2 船舶結構應力可靠性監測系統的性能測試

對船舶結構應力可靠性監測系統進行了性能測試，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為隨機初始相位。

在該初始條件下，采集到船舶局部結構的應力數據云圖如圖6所示。

圖6 船舶局部結構的應力數據云圖Fig. 6 Stress data cloud diagram of local structure of ship

3 結 論

本文針對船舶結構應力的特性，設計一種基于光纖光柵傳感器的船舶結構可靠性監測系統，分別從應力數據采集的原理、光纖光柵傳感器的基本特性和原理、船舶結構可靠性監測系統的關鍵構成、系統的測試仿真等進行研究。