一种船体结构应力检测装置及其监测方法与流程

1.本发明涉及船舶安全监测技术领域，特别涉及一种船体结构应力检测装置及其监测方法。


背景技术：

2.在各式各样的运输工具中，船舶具备装载量大且费用低廉的优势；然而面对海洋这样复杂恶劣的自然环境，船舶通常会受到各种载荷和因素的影响与侵蚀，造成船体结构的损伤和破坏，进而引发各种严重事故；在瞬息万变的海洋环境中，仅凭个人对于船体情况的判断是不可靠的，因此对船体结构进行实时健康监测是非常必要的。
3.由于光纤光栅对于被测信息采用波长编码，而波长是一种绝对参量，不受光源波动以及光纤弯曲等因素的影响，因此光纤光栅传感器具有很好的可靠性与稳定性；光纤光栅传感器体积小、抗电磁干扰能力强、易于组建传感网络；同时光纤本身耐腐蚀，化学性能稳定，适宜应用于海洋这样恶劣的自然条件，因此检测装置通常都是使用光纤光栅传感器来检测应力，并且在船体内部设置有监测系统，可以不间断的对船体进行监测。
4.现有的检测装置在应用于船体上时，由于船体的检测区域不同，大小也不同，因此需要检测装置能够改变检测的距离，保证采集应力数据时更加准确，在监测船体时，由于采集的数据量比较庞大，因此需要进行多次计算，在计算的过程中，为了保证实时监测的准确性，会对同种数据进行多种计算，这样得出的结果会存在一定的延迟，对风险的预测性能较弱。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种船体结构应力检测装置及其监测方法，可以有效解决背景技术现有的检测装置在应用于船体上时，由于船体的检测区域不同，大小也不同，因此需要检测装置能够改变检测的距离，保证采集应力数据时更加准确，在监测船体时，由于采集的数据量比较庞大，因此需要进行多次计算，在计算的过程中，为了保证实时监测的准确性，会对同种数据进行多种计算，这样得出的结果会存在一定的延迟，对风险的预测性能较弱的问题。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：本发明之一种船体结构应力检测装置，包括保护壳，所述保护壳的底端设置有调节机构，所述调节机构的底端设置有限位机构；
7.所述调节机构包括长轴和检测组件，所述保护壳的底端一侧固定连接有检测组件，所述检测组件的一侧固定连接有光纤光栅，所述检测组件的另一侧固定连接有长轴，所述长轴的一端设置有调节座，所述调节座的顶端一侧固定连接有锁紧板，所述锁紧板的中部设置有固定螺栓，所述固定螺栓的一端贯穿锁紧板并延伸至保护壳内部；
8.所述限位机构包括固定板和延伸板，所述调节座的底端两侧均固定连接有延伸板，所述延伸板的两侧对称设置有延伸板，所述延伸板的内部开设有多个螺纹孔，所述延伸
板的内部底端设置有磁铁板，所述磁铁板的底端与延伸板的底端平齐，所述检测组件的侧面也设置有限位机构。
9.优选地，所述调节座的底端与检测组件的底端平齐，且所述调节座的顶端与保护壳的底端相贴合。
10.优选地，所述长轴的中部顶端设置有传输柱，所述保护壳的内部设置有无线传输器，所述传输柱的顶端延伸至无线传输器的内部。
11.优选地，所述调节座的两侧均开设有卡接孔，所述长轴的一端与延伸至对应的卡接孔内部。
12.优选地，所述长轴与光纤光栅平行设置，且所述光纤光栅的一端延伸至检测组件内部。
13.一种船体结构应力的监测方法，其特征在于：所述具体步骤如下：
14.s1、建立包括测波雷达、信号解调仪、光纤光栅传感器、检测装置、海浪采集模块、通信模块、处理模块和数据库的监测系统；
15.s2、将多个光纤光栅传感器分别放置在船体的不同位置检测应力，船体结构内部的应变力被光纤光栅传感器转化成应变信号，应变信号通过检测装置被转化成波长信号，再通过无线传输器传输至信号解调仪,由信号解调仪将波长信号转化为电信号；
16.s3、将转变成的电信号通过光缆传输至处理模块中利用公式进行弯-扭矩分解计算，再对信号进行识别并转化为应力信号存储于数据库中；
17.s4、在检测装置工作的同时进行海浪采集工作，利用船载测波雷达测得海面的波面信号,随后将测得的波面信号交由处理模块处理后传输至数据库进行存储,被存储后的数据在数据库内部与其他数据进行对比；
18.s5、再通过数据库将对比后的数据发送至通信模块，通信模块传输信号给检测装置内部的无线传输器，检测装置根据传输的数据选择不同的采样方式。
19.优选地，所述不同的采样方式分为低频采样和高频采样，外界海况较低时为低频采样，船体为线性响应系统，外界海况较高时为高频采样，船体为非线性响应系统。
20.优选地，所述光纤光栅传感器测得的船体结构应力数据分为多种数据类型，它们根据类别的不同要分别进行不同的计算，不同计算包括实时数据计算、历史数据计算、失效概率计算和累计损伤计算。
21.优选地，所述数据库包括实时数据库、历史数据库、评估数据库、信息数据库，实时数据库主要用于实测海浪和船体结构应力数据的管理；历史数据库用于过去的海浪和船体结构应力数据的管理；评估数据库用于结构的失效概率、累积损伤及有限元分析等结构强度评估结果的管理；信息数据库用于船体结构信息、软件系统参数信息和系统运行信息的管理。
22.优选地，所述公式中的tf表示自由扭转扭矩，g表示剪切模量，j表示自由扭转惯性矩，l表示参考点到扭心的距离，ε表示纵向应变。
23.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
24.1.本发明中，通过调节机构和限位机构的设置，由于保护壳的底端一侧固定连接
有检测组件，检测组件的另一侧固定连接有长轴，长轴的一端设置有调节座，调节座的顶端一侧固定连接有锁紧板，锁紧板的中部设置有固定螺栓，固定螺栓的一端贯穿锁紧板并延伸至保护壳内部，在使用检测装置时，先确定检测区域的大小，随后卸下固定螺栓，调节座松动，在长轴上滑动，缩短或增长与检测组件的间距，以此适应检测区域的大小，改变距离完成后，再利用固定螺栓锁紧，可以自适应的改变检测的距离，提高了适用性。
25.2.本发明中，通过限位机构的设置，由于调节座的底端两侧均固定连接有延伸板，延伸板的两侧对称设置有延伸板，延伸板的内部开设有多个螺纹孔，延伸板的内部底端设置有磁铁板，磁铁板的底端与延伸板的底端平齐，检测组件的侧面也设置有限位机构，两个限位机构一起工作，利用磁铁可以吸附在较高处，在船体的较低处时，检测装置会受到海浪的冲击，因此利用锁紧螺栓将调节座和检测组件都与船体螺纹连接，同时磁铁的磁力具有一定的吸附力，起到辅助作用，提高了检测装置的稳定性。
26.3.本发明中，通过监测系统中测波雷达的设置，在检测装置工作的同时进行海浪采集工作，利用船载测波雷达测得海面的波面信号,随后将测得的波面信号交由处理模块处理后传输至数据库进行存储,被存储后的数据在数据库内部与其他数据进行对比，随后传输回检测装置，检测装置根据传输的数据选择不同的采样方式，外界海况较低时为低频采样，船体为线性响应系统，可以有效节省资源，外界海况较高时为高频采样，船体为非线性响应系统，相比较线性响应系统，可以更准确的评估船体结构在高海况的安全性。
27.4.本发明中，通过监测系统中处理模块和数据库的设置，先利用公式4.本发明中，通过监测系统中处理模块和数据库的设置，先利用公式进行弯-扭矩分解计算，再对信号进行识别并转化为应力信号存储于数据库中，数据库将应力信号和各项数据进行分类，分别存储在实时数据库、历史数据库、评估数据库、信息数据库中，当有数据进入实时数据库时，该数据库即开始工作，对各监测点信号进行合成，得到所需的屈服、屈曲和疲劳应力；历史数据库根据检测装置传输的数据和监测点合成参数，计算所导入数据的屈服和屈曲应力；评估数据库根据软件设定每隔固定时间运行一次，每次运行时读取该时刻前30min数据进行分析，提高了安全性能；信息数据库也根据软件设定每隔固定时间运行一次，但每次运行时读取前一次的计算结果及之后系统新采集的所有数据，从而得到当前的结构累计损伤，这样将数据进行分类计算，庞大的数据量也可以被有序的计算，在计算过程中避免了无用的重复计算，有效减少了计算结果的延迟，利用评估数据库提前30min进行分析，有效提高了对风险的预测能力。
附图说明
28.图1为本发明一种船体结构应力检测装置的立体结构示意图；
29.图2为本发明一种船体结构应力检测装置的剖面图；
30.图3为本发明一种船体结构应力的监测方法的流程图；
31.图4为本发明一种船体结构应力的监测方法中计算过程的流程图；
32.图5为本发明一种船体结构应力的监测方法中改变采样方式的流程图。
33.图中：1、保护壳；2、调节座；3、长轴；4、光纤光栅；5、检测组件；6、固定板；7、延伸板；8、传输柱；9、无线传输器；10、磁铁板；11、锁紧板。
具体实施方式
34.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.请参照图1—5所示，一种船体结构应力检测装置，包括保护壳1，保护壳1的底端设置有调节机构，调节机构的底端设置有限位机构。
38.调节机构包括长轴3和检测组件5，保护壳1的底端一侧固定连接有检测组件5，检测组件5的一侧固定连接有光纤光栅4，检测组件5的另一侧固定连接有长轴3，长轴3与光纤光栅4平行设置，且光纤光栅4的一端延伸至检测组件5内部，长轴3的中部顶端设置有传输柱8，保护壳1的内部设置有无线传输器9，传输柱8的顶端延伸至无线传输器9的内部，通过无线传输器9传输检测的各项数据，长轴3的一端设置有调节座2，调节座2的两侧均开设有卡接孔，长轴3的一端与延伸至对应的卡接孔内部，调节座2的底端与检测组件5的底端平齐，且调节座2的顶端与保护壳1的底端相贴合，调节座2的顶端一侧固定连接有锁紧板11，锁紧板11的中部设置有固定螺栓，固定螺栓的一端贯穿锁紧板11并延伸至保护壳1内部，在使用检测装置时，先确定检测区域的大小，随后卸下固定螺栓，调节座2松动，在长轴3上滑动，缩短或增长与检测组件5的间距，以此适应检测区域的大小，改变距离完成后，再利用固定螺栓锁紧，可以自适应的改变检测的距离，提高了适用性。
39.限位机构包括固定板6和延伸板7，调节座2的底端两侧均固定连接有延伸板7，延伸板7的两侧对称设置有延伸板7，延伸板7的内部开设有多个螺纹孔，螺纹孔内部设置有锁紧螺栓，延伸板7的内部底端设置有磁铁板10，磁铁板10的底端与延伸板7的底端平齐，检测组件5的侧面也设置有限位机构，两个限位机构一起工作，利用磁铁板10可以吸附在较高处，在船体的较低处时，检测装置会受到海浪的冲击，因此利用锁紧螺栓将调节座2和检测组件5都与船体螺纹连接，同时磁铁板10的磁力具有一定的吸附力，起到辅助作用，提高了检测装置的稳定性。
40.一种船体结构应力的监测方法，其特征在于：具体步骤如下：
41.s1、建立包括测波雷达、信号解调仪、光纤光栅传感器、检测装置、海浪采集模块、通信模块、处理模块和数据库的监测系统；
42.s2、将多个光纤光栅传感器分别放置在船体的不同位置检测应力，船体结构内部的应变力被光纤光栅传感器转化成应变信号，应变信号通过检测装置被转化成波长信号，再通过无线传输器9传输至信号解调仪,由信号解调仪将波长信号转化为电信号，光纤光栅
传感器测得的船体结构应力数据分为多种数据类型，它们根据类别的不同要分别进行不同的计算，不同计算包括实时数据计算、历史数据计算、失效概率计算和累计损伤计算；
43.s3、将转变成的电信号通过光缆传输至处理模块中利用公式进行弯-扭矩分解计算，通过计算后得到船体某一位置的总纵弯矩mv，横向弯矩mh和扭矩tf引起的纵向应变可表示为：
[0044][0045]
其中z表示监测点的竖直坐标，y表示监测点的横向坐标，ω表示扇形坐标，b表示双力矩，i
ω
表示扇形惯性矩，在进行计算时，将多个位置的纵向应变信息用矩阵的形式表达，随后联合多个矩阵，得到监测剖面的总纵弯矩、横向弯矩和扭矩，
[0046]
式中x为监测点的纵向坐标，t
ω
为二次扭矩，再对信号进行识别并转化为应力信号存储于数据库中。
[0047]
s3.1、数据库包括实时数据库、历史数据库、评估数据库、信息数据库四大块，实时数据库主要用于实测海浪和船体结构应力数据的管理；历史数据库用于过去的海浪和船体结构应力数据的管理；评估数据库用于结构的失效概率、累积损伤及有限元分析等结构强度评估结果的管理；信息数据库用于船体结构信息、软件系统参数信息和系统运行信息的管理，其中船体结构信息包含船舶名称、主尺度、装载工况、结构材料、构件尺寸等信息，软件系统参数包括保存设置、船体材料设置、传感器初值设置、监测点设置等信息，系统运行信息指软件系统开启后的所有操作和自动计算过程的记录信息；
[0048]
s3.2、实时数据计算线程内包含实时数据读取线程和数据计算线程，当软件启动时实时数据读取线程即开始不断地搜索传感器信号进行读取，若无信号则进入搜索等待状态，有信号输入时则立即进行读取并发送至数据计算线程；当有数据进入数据计算线程时该线程即开始工作，对各监测点信号进行合成，得到所需的屈服、屈曲和疲劳应力；
[0049]
历史数据计算线程只有当软件导入历史数据时才开始运行，根据检测装置传输的数据和监测点合成参数，计算所导入数据的屈服和屈曲应力；
[0050]
失效概率计算线程根据软件设定每隔固定时间运行一次，每次运行时读取该时刻前30min数据进行分析；
[0051]
累计损伤计算线程也根据软件设定每隔固定时间运行一次，但每次运行时读取前一次的计算结果及之后系统新采集的所有数据，从而得到当前的结构累计损伤，这样将数据进行分类计算，庞大的数据量也可以被有序的计算，在计算过程中避免了无用的重复计算，有效减少了计算结果的延迟，利用评估数据库提前30min进行分析，有效提高了对风险的预测能力。
[0052]
s3.3、多个计算线程运行完毕后均将数据发送至数据库系统，并在船体的操纵台的显示屏上显示出来。
[0053]
s4、在检测装置工作的同时进行海浪采集工作，利用船载测波雷达测得海面的波面信号,随后将测得的波面信号交由处理模块处理后传输至数据库进行存储,被存储后的
数据在数据库内部与其他数据进行对比；
[0054]
s5、再通过数据库将对比后的数据发送至通信模块，通信模块传输信号给检测装置内部的无线传输器9，检测装置根据传输的数据选择不同的采样方式，不同的采样方式分为低频采样和高频采样，外界海况较低时为低频采样，船体为线性响应系统，可以有效节省资源，外界海况较高时为高频采样，船体为非线性响应系统，相比较线性响应系统，可以更准确的评估船体结构在高海况的安全性。
[0055]
实施例1
[0056]
取长宽高分别为128m、16m、10m，吃水深度为4.3m，排水量为4364t的船体进行试验，利用测波雷达测得各项数据，将多个位置的纵向应变信息用矩阵的形式表达，随后联合多个矩阵，得到监测剖面的总纵弯矩、横向弯矩和扭矩，
[0057]
随后计算出各项数据，得到监测与评估结果
[0058][0059]
得到的评估结构与监测结构误差很小，基本一致，因此本监测方法适用于船体结构的应力检测，具有较高的准确性。
[0060]
本发明的工作原理为：在使用检测装置时，先确定检测区域的大小，随后卸下固定螺栓，调节座2松动，在长轴3上滑动，缩短或增长与检测组件5的间距，以此适应检测区域的大小，改变距离完成后，再利用固定螺栓锁紧，可以自适应的改变检测的距离，提高了适用性，随后利用锁紧螺栓将调节座2和检测组件5都与船体螺纹连接，提高了检测装置的稳定性，在监测系统工作时，先将多个光纤光栅传感器分别放置在船体的不同位置检测应力，船体结构内部的应变力被光纤光栅传感器转化成应变信号，应变信号通过检测装置被转化成波长信号，再通过无线传输器9传输至信号解调仪,由信号解调仪将波长信号转化为电信号，光纤光栅传感器测得的船体结构应力数据分为多种数据类型，它们根据类别的不同要分别进行不同的计算，在光纤光栅传感器工作时，利用船载测波雷达测得海面的波面信号,随后将测得的波面信号交由处理模块处理后传输至数据库进行存储,被存储后的数据在数据库内部与其他数据进行对比；再通过数据库将对比后的数据发送至通信模块，通信模块
传输信号给检测装置内部的无线传输器9，检测装置根据传输的数据选择不同的采样方式。
[0061]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。