一种船体总纵强度应力监测方法与流程

本发明涉及一种船体总纵强度应力监测方法，特别是一种采用应变片船体总纵强度应力监测方法。

背景技术：

结构的安全性是保证大型船舶正常营运的基础，在大型船舶的结构设计中，设计人员需要参考有关船级社的结构设计规范或准则，结合相关的理论方法，确定大型船舶的各种设计载荷，进而进行有关的结构设计与强度评估。但是，对于实际海洋环境中航行的船舶来说，结构受到的外载荷具有很强的随机性，这些随机因素很难通过规范或准则中的方法进行完全准确地预报。因而，尽管船级社已经给出了船舶结构设计的规范或准则，设计人员也据此给出尽可能完善的结构设计方案，但大型船舶仍存在着一定程度结构失效的可能性。为了降低大型船舶结构安全的风险，一方面可以在设计建造阶段合理确定结构设防水平，不断完善船体结构强度分析与评估方法，另一方面是对大型船舶使用过程加强管理和监控。通过实时监测船体结构应力，并根据得到的监测数据对结构状态进行评估，当结构应力较大时发出报警，并给操船人员提供可供选择的辅助航行决策建议，则可以有效降低结构的安全风险。

以往的结构应力监测主要通过长基线应变仪来实现，然而对于具有大开口形式的集装箱船而言，甲板面积狭小，如果用长基线方法监测，会造成占用甲板空间，影响船员工作等不利影响；对于甲板下方甲板纵桁而言，长基线方法存在设备安装困难，无法准确测量等困难，用来实时监测船舶应力状态十分不便。

技术实现要素：

针对现有技术存在不足，本发明提出一种采用应变片的船体总纵强度应力监测方法。

本发明是这样实现的：

步骤一：沿船体纵向方向选取长度为l的直线为应力监测目标；

步骤二：应变片ⅰ贴于步骤一中选取的长度为l的直线的中点，应变片ⅱ和应变片ⅲ分别贴于所述的直线上且分别贴于应变片ⅰ的两侧，应变片ⅱ和应变片ⅲ距离应变片ⅰ的距离均为38.7％l；

步骤三：获取应变片ⅰ、应变片ⅱ和应变片ⅲ的实时应力σ1、σ2和σ3，通过公式σ＝(0.5555556╳σ2+0.8888889╳σ1+0.5555556╳σ3)/2获得监测的平均应力σ。

为了实现船舶总纵强度的实时监测，本发明方法采用贴应变片的方式，代替了长基线应变仪，可以更准确、更高效的进行船舶应力、应变的实时监测。贴片体积很小，设置安装灵活：该方法所用装置为三个应变片，几乎不会占用任何体积，可以应用于几乎整船任何部位进行实时监测，而不会影响船上人员的走动工作。对于外部板格的监测，可以贴于内表面，保证实时监测可以长期、稳定的进行；监测过程简单，准确性高：只需将应变片贴在待监测板格的相应位置，监测就能进行，经过大量的数据比对，该方法贴片得到的应力与真实应力相比，误差不超过3％；测量数据偏于安全：经过大量的数据验证，贴片所得的三点的平均应力与真实应力之比大于1，因此采用该方法监测船舶的实时应力，对船舶的安全性是更加有利的。

附图说明

附图1是监测系统示意图；

附图2是应力函数；

附图3是用高斯-勒让德求积公式求应力函数的和；

附图4是监测对象集装箱船；

附图5是监测对象局部图；

附图6是监测对象细节图；

附图7是甲板贴片布置图；

附图8是甲板贴片位置图；

附图9是纵桁贴片布置图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

该方法基于船用应变片，需要监测船上某个构件，例如：甲板板、甲板纵桁的实时应力状态时，只需按照本方法将三个应变片分别贴在该构件的相应的位置上，根据三个应变片所测得的实时数据，就可以得到整船的总纵弯曲情况。同时，应变片的数据也可以通过线路接口导入到船舶控制系统中，可以更准确、更高效的进行船舶应力、应变实时监测。

如图1所示，应变片ⅰ2、应变片ⅱ1、应变片ⅲ3为进行应力监测所贴在构件表面的应变片，当船舶航行在不同的海况中时，应变片开始工作并将数据显示在记录仪上，将多个记录仪同时接入到整船监视控制系统中，就可以对船舶内部进行实时的应力监测。

考虑到目标板格应力的纵向分布(沿x轴)是连续的，记应力函数为σ(x)，采用高斯-勒让德求积公式求出这段应力函数σ(x)的平均值，将坐标原点建立在板格中心，记x轴方向上的左右端点值分别为-l/2和l/2，如图2所示。

如图3所示，根据高斯-勒让德求积公式可知，连续函数在一段区间上的和可以近似等于某几个节点对应的函数值再乘以系数之后求和。

表1高斯-勒让德求积公式的节点和系数

利用高斯-勒让德求积公式，应力函数σ(x)在[-l/2，l/2]区间内的和∑σ可以近似等于σ(-0.7745967╳l/2)、σ(0)、σ(0.7745967╳l/2)分别乘以对应的系数再相加，而这段区间内应力的平均值就等于∑σ/2。

因此，要监测一块板格的实时应力状况，只需要知道对应位置的σ1、σ2、σ3的应力值，就能通过计算得到该板格的平均应力状态。

方法如下:

首先，确定所需监测的区域。通常来说，监测区域一般选在船上危险截面附近的甲板板以及甲板纵桁，因为在航行时，该区域承受的载荷作用巨大，变形严重。监测目标由横向构件与纵向构件围成的矩形板格。

其次，在监测区域中心点贴一张应变片测得应力值σ1，并沿长度方向分别向两端偏移矩形总长度的38.7％，在这两点分别各贴上一张应变片测得应力值σ2、σ3。三张应变片应同时贴于上表面或者下表面，视贴片区域而定，保证贴片不影响船上设备的正常工作和船上的人员走动。

最后，通过计算，该监测区域的平均应力值为：

σ＝(0.5555556×σ2+0.8888889×σ1+0.5555556╳σ3)/2

实施例：

监测对象：21000箱超大型集装箱船。

主尺度：总长：386.0m；型宽：58.6m；型深：33.5m；设计吃水：14.5m。

如图4、图5所示，取船舯附近需要进行总纵强度监测的某一段的甲板板作为目标。如图6所示，黑色的甲板区域为需要监测的甲板板。

确定应变片的布置位置，如图7所示，5为监测目标矩形甲板板格。1、2、3分别为三个应变片，贴于5的下表面，其中，2贴于5的中心位置处，1到2的纵向距离为5的长度的38.7％，3到2的纵向距离也为4的长度的38.7％，即1与3关于2对称布置。

在待监测的甲板板的下表面选取合适的位置贴上三个应变片。如图8所示，5为甲板板，4为甲板横梁，10为甲板纵骨，9为舷侧板，8为舷侧上的强肋骨，应变片的布置区域在两个强横框架之间。

纵桁腹板的监测与甲板类似，如图9所示，6为监测目标甲板纵桁腹板，7为甲板纵桁面板。1、2、3分别为三个应变片，贴于6的表面，其中，2贴于6的中心位置处，1到2的纵向距离为6的长度的38.7％，3到2的纵向距离也为6的长度的38.7％，即1与3关于2对称布置。

当船舶航行在不同的海况时时，贴于甲板板和纵桁面板上的应变片开始工作。1、2、3三个应变片实时产生应力数据σ1、σ2、σ3，经过简单数学处理得到待测目标由于船体变形而产生的应力σ，即σ＝(0.5555556×σ1+0.8888889×σ2+0.5555556×σ3)/2。通过传输到船舶控制监测系统上σ值的变化，就可以对船舶进行应力监测。

而监测板格两端由于变形而产生的真实应力大小可由虎克定律σ*＝eε求得，经过不同工况下的大量数据比对，发现σ与σ*的误差不超过3％，并且通常来说，监测应力σ是大于真实应力σ*的，因而偏于安全。

一种船体总纵强度贴片应力监测方法，用贴应变片的方式代替了长基线应变监测仪，通过简单的算法可以实现对目标区域的实时监测。

船体总纵强度贴片应力监测方法，应变片布置时，1贴于目标板格中心，2、3应变片距离1应变片的距离应当为待测矩形区域长度的38.7％船体总纵强度贴片应力监测方法，三个应变片实时应力读数经过计算，用σ＝(0.5555556×σ2+0.8888889×σ1+0.5555556×σ3)/2作为待测目标的真实实时应力。