CN110646184B - 一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法，涉及动力管道的安全控制技术领域，包括以下步骤：建立动力管道的应力分析模型，生成管道在单位载荷情况下，所有监测点的应力对照表；获取船舶航行过程中，管道受到的低周循环载荷和高周循环载荷的时间历程曲线；计算并绘制监测点的低周应力循环的累积频数表；计算管道的等效重力载荷因子；计算监测点的高周应力循环的累积频数表；合并监测点的低周应力循环的累积频数表和高周应力循环的累积频数表，得到完整的应力循环的累积频数表，以完成对船舶管道的监测点进行疲劳分析与校核，本发明能够减少传感器的设置，并避免传感器直接贴在危险点测量，间接完成对船舶动力管道任意区域的应力监测。

Description

一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法

技术领域

本发明涉及动力管道的安全控制技术领域，具体涉及一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法。

背景技术

动力管道是能源系统中重要组成部分，承担着汽、水、油等工质输送和能量传递的任务，对能源系统来说至关重要。一般的，动力管道内部的工质存在较高压力，在交变载荷的作用下，一旦结构发生疲劳破坏，会导致大量工质泄漏，可能产生爆炸、火灾、中毒等严重的安全事故，造成巨大的经济损失。特别对于船舶能源系统，由于远离陆地，外部的救援力量无法快速到达事故区域，一旦船舶能源系统发生动力管道泄漏事故，产生的事故后果更为严重。为此，对船舶能源系统复杂动力管道上可能发生破坏的区域进行疲劳应力监测，对疲劳破裂危险进行预报显得尤其重要。

目前，现有的应力测量主要采用在测量点布置应力传感器的方式，测量比较直接。但是对于船舶管道系统，这种方法存在以下问题：一是船舶能源系统的动力管道复杂庞大，存在的可能发生疲劳破坏的区域较多，实现整个管路的应力监测需要设置大量传感器以及采集数据的导线，投资与维护成本高，布置空间也不允许；二是船舶舱室环境恶劣，高温、高湿、振动等环境并不适合应力传感器长期工作。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法，能够减少传感器的设置，并避免传感器直接贴在危险点测量，间接完成对船舶动力管道任意区域的应力监测。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

提供一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法，包括以下步骤：

建立动力管道的ANSYS应力分析模型，分别计算在各载荷形式的单位载荷下，监测点产生的应力值，并完成对所有监测点的计算，生成管道在单位载荷情况下，所有监测点的应力对照表，所述载荷形式包括压力、温度、摇摆和振荡；

在船舶不同用途的动力管道上均设置一压力传感器和温度传感器，并在船舶的船体上设置加速度传感器；

通过压力传感器、温度传感器和加速度传感器获取船舶航行过程中，管道受到的低周循环载荷和高周循环载荷的时间历程曲线，所述低周循环载荷包括压力和温度，所述高周循环载荷包括摇摆和振荡；

根据应力对照表和低周循环载荷的时间历程曲线，计算并绘制监测点的低周应力循环的累积频数表；

根据高周循环载荷的时间历程曲线和管道中心距船舶中心位置的距离，计算管道的等效重力载荷因子；

根据应力对照表和管道的等效重力载荷因子，计算监测点的高周应力循环的累积频数表；

合并监测点的低周应力循环的累积频数表和高周应力循环的累积频数表，得到完整的应力循环的累积频数表，以完成对船舶管道的监测点进行疲劳分析与校核。

在上述技术方案的基础上，分别计算在各载荷形式的单位载荷下，监测点产生的应力值时，具体包括以下步骤：

计算管道温度相对初始状态升高1℃时，监测点产生的等效应力值σ_0t；

计算管道内压相对初始状态升高0.1MPa时，监测点产生的等效应力值σ_0y；

计算管道横向方向受到1g加速度时，监测点产生的等效应力值σ_0r；

计算管道垂向方向受到1g加速度时，监测点产生的等效应力值σ_0e；

计算管道纵向方向受到1g加速度时，监测点产生的等效应力值σ_0p，其中，g为重力加速度。

在上述技术方案的基础上，计算并绘制监测点的低周应力循环的累积频数表时，具体包括以下步骤：

根据应力对照表，得到监测点实时温度的σ_0t和实时压力的σ_0y数据；

计算监测点在低周循环载荷下的实时载荷应力值：

σ(t)＝P(t)×σ_0y+T(t)×σ_0t

其中，P(t)为实时压力，T(t)为实时温度；

根据实时载荷应力值绘制低周应力循环历程曲线；

通过雨流计数法对低周应力循环历程曲线进行处理，得到监测点的低周应力循环累积频数表。

在上述技术方案的基础上，计算管道的等效重力载荷因子时，具体包括以下步骤：

根据摇摆和振荡载荷的时间历程曲线，计算船舶的最大纵摇角平均值θ，最大横摇角平均值

纵摇周期平均值T_p，横摇周期平均值T_r，垂荡加速度幅值平均值h_e，以及纵荡加速度幅值平均值S_u；

计算管道中心距船舶中心位置的距离；

根据以上数据，计算管道的等效重力载荷因子。

在上述技术方案的基础上，管道中心距船舶中心位置的距离包括管道中心距船舶中心位置的纵向距离X、横向距离Y和垂向距离Z；

计算管道的等效重力载荷因子时，具有包括以下步骤：

分别计算管道在横向、垂向和纵向方向的等效重力载荷因子，纵向的等效重力载荷因子

满足以下公式：

横向的等效重力载荷因子

满足以下公式：

垂向的等效重力载荷因子

满足以下公式：

在上述技术方案的基础上，计算监测点的高周应力循环的累积频数表时，具体包括以下步骤，

根据应力对照表，得到监测点的σ_0r、σ_0e和σ_0p数据；

根据监测点的σ_0r、σ_0e和σ_0p数据，计算监测点在高周循环载荷下的最大应力值，

根据振荡的时间历程曲线，提取垂向振荡频数N_e，得到监测点最大应力值和频数对应的高周应力循环的累积频数表。

在上述技术方案的基础上，所述高周循环载荷下的最大应力值包括纵向最大应力值、横向最大应力值和垂向最大应力值，监测点的纵向最大应力值σ_Xmax的计算公式为：

监测点的横向最大应力值σ_Ymax的计算公式为：

监测点的垂向最大应力值σ_Zmax的计算公式为：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法，由于具有同样用途的管道内的工质压力和工质温度是相同的，且管道是固定于船舶的船体上的，因此，在进行测量时，只需要设置少量的传感器进行测量不同用途的管道内的工质压力和工质温度，以及管道的摇摆和振荡载荷，相对于在每个监测点设置应力传感器来说，减少了传感器和导线的设置，进而降低了投资与维护的成本；同时，通过计算低周应力循环和高周应力循环的累积频数表，得到完整的管道应力循环的累积频数表，进而完成对船舶动力管道的疲劳分析，间接完成了对船舶动力管道任意区域的应力监测，避免传感器直接贴在危险点测量，提高船舶海上航行的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例中船舶动力管道疲劳应力的监测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立动力管道的ANSYS应力分析模型，分别计算在各载荷形式的单位载荷下，监测点产生的应力值，并完成对所有监测点的计算，生成管道在单位载荷情况下，所有监测点的应力对照表，载荷形式包括压力、温度、摇摆和振荡，分别计算在各载荷形式的单位载荷下，监测点产生的应力值时，具体包括以下步骤：

计算管道温度相对初始状态升高1℃时，监测点产生的等效应力值σ_0t；

计算管道内压相对初始状态升高0.1MPa时，监测点产生的等效应力值σ_0y；

计算管道横向方向受到1g加速度时，监测点产生的等效应力值σ_0r；

计算管道垂向方向受到1g加速度时，监测点产生的等效应力值σ_0e；

计算管道纵向方向受到1g加速度时，监测点产生的等效应力值σ_0p，其中，g为重力加速度；

生成的每个监测点的应力对照表如下：

在船舶不同用途的动力管道上均设置一压力传感器和温度传感器，并在船舶的船体上设置加速度传感器；

通过压力传感器、温度传感器和加速度传感器获取提取船舶航行过程中，管道受到的低周循环载荷和高周循环载荷的时间历程曲线，所述低周循环载荷包括压力和温度，其中，测量的压力和温度为管道工质压力和工质温度，所述高周循环载荷包括摇摆和振荡；

根据应力对照表和低周循环载荷的时间历程曲线，计算并绘制监测点的低周应力循环的累积频数表，计算并绘制监测点的低周应力循环的累积频数表时，具体包括以下步骤：

根据应力对照表，得到监测点实时温度的σ_0t和实时压力的σ_0y数据；

计算监测点在低周循环载荷下的实时载荷应力值：

σ(t)＝P(t)×σ_0y+T(t)×σ_0t

其中，P(t)为实时压力，T(t)为实时温度；

根据实时载荷应力值绘制低周应力循环历程曲线；

通过雨流计数法对低周应力循环历程曲线进行处理，得到监测点的低周应力循环的累积频数表；

根据高周循环载荷的时间历程曲线和管道中心距船舶中心位置的距离，计算管道的等效重力载荷因子，计算管道的等效重力载荷因子时，具体包括以下步骤：

根据摇摆和振荡载荷的时间历程曲线，计算船舶的最大纵摇角平均值θ，最大横摇角平均值

纵摇周期平均值T_p，横摇周期平均值T_r，垂荡加速度幅值平均值h_e，以及纵荡加速度幅值平均值S_u；

计算管道中心距船舶中心位置的距离；

根据以上数据，计算管道的等效重力载荷因子；

其中，管道中心距船舶中心位置的距离包括管道中心距船舶中心位置的纵向距离X、横向距离Y和垂向距离Z；

计算管道的等效重力载荷因子时，具有包括以下步骤：

分别计算管道在横向、垂向和纵向方向的等效重力载荷因子，纵向的等效重力载荷因子

满足以下公式：

横向的等效重力载荷因子

满足以下公式：

垂向的等效重力载荷因子

满足以下公式：

根据应力对照表和管道的等效重力载荷因子，计算监测点的高周应力循环的累积频数表，计算监测点的高周应力循环的累积频数表时，具体包括以下步骤，

根据应力对照表，得到监测点的σ_0r、σ_0e和σ_0p数据；

根据监测点的σ_0r、σ_0e和σ_0p数据，计算监测点在高周循环载荷下的最大应力值，

根据振荡的时间历程曲线，提取垂向振荡频数N_e，得到监测点最大应力值和频数对应的高周应力循环的累积频数表，其中，最大应力值对应为幅值；

其中，所述高周循环载荷下的最大应力值包括纵向最大应力值、横向最大应力值和垂向最大应力值，监测点的纵向最大应力值σ_Xmax满足以下公式：

监测点的横向最大应力值σ_Ymax满足以下公式：

监测点的垂向最大应力值σ_Zmax满足以下公式：

进一步的，高周应力循环的累积频数表为：

幅值	σ<sub>Xmax</sub>	σ<sub>Ymax</sub>	σ<sub>Zmax</sub>
				频数	N<sub>e</sub>	N<sub>e</sub>	N<sub>e</sub>

合并监测点的低周应力循环的累积频数表和高周应力循环的累积频数表，得到完整的应力循环的累积频数表，并通过疲劳与断裂理论根据完整的应力循环的累积频数表完成对船舶管道的监测点进行疲劳分析与校核。

建立动力管道的ANSYS应力分析模型，生成所有监测点的应力对照表，并提取低周循环载荷和高周循环载荷的时间历程曲线，通过计算低周应力循环和高周应力循环的累积频数表，得到完整的管道应力循环的累积频数表，能够实现船舶动力管道任意位置(任意监测点)的应力疲劳应力监测，并用于完成对船舶动力管道的疲劳分析，提高船舶海上航行的安全性，具有较高的经济效益；同时，本实施中监测温度、压力、摇摆等参数，通过间接计算实现管道上任意位置点的应力载荷的测量，相比于在危险点直接贴应力传感器的方法，提高船舶海上航行的安全性，具有测量数据量小，装置成本低，运行可靠性高，耐受性强，以及实施便捷的特点。

同时，由于具有同样用途的管道内的工质压力和工质温度是相同的，且管道是固定于船舶的船体上的，因此，各部位的管道的摇摆和振荡是一致的，则在进行测量时，只需要设置少量的传感器进行测量不同用途的管道内的工质压力和工质温度，相对于在每个监测点设置应力传感器来说，减少了传感器和导线的设置，进而降低了投资与维护的成本，缩小了布置的空间，其中，测量温度和压力的传感器，为船舶本身的设置，在进行检测管道疲劳应力时，不需要额外增设传感器，进一步的减小了投资成本。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立动力管道的ANSYS应力分析模型，分别计算在各载荷形式的单位载荷下，监测点产生的应力值，并完成对所有监测点的计算，生成管道在单位载荷情况下，所有监测点的应力对照表，所述载荷形式包括压力、温度、摇摆和振荡；

在船舶不同用途的动力管道上均设置一压力传感器和温度传感器，并在船舶的船体上设置加速度传感器；

通过压力传感器、温度传感器和加速度传感器获取船舶航行过程中，管道受到的低周循环载荷和高周循环载荷的时间历程曲线，所述低周循环载荷包括压力和温度，所述高周循环载荷包括摇摆和振荡；

根据应力对照表和低周循环载荷的时间历程曲线，计算并绘制监测点的低周应力循环的累积频数表；

根据高周循环载荷的时间历程曲线和管道中心距船舶中心位置的距离，计算管道的等效重力载荷因子；

根据应力对照表和管道的等效重力载荷因子，计算监测点的高周应力循环的累积频数表；

合并监测点的低周应力循环的累积频数表和高周应力循环的累积频数表，得到完整的应力循环的累积频数表，以完成对船舶管道的监测点进行疲劳分析与校核；

分别计算在各载荷形式的单位载荷下，监测点产生的应力值时，具体包括以下步骤：

计算管道温度相对初始状态升高1℃时，监测点产生的等效应力值σ_0t；

计算管道内压相对初始状态升高0.1MPa时，监测点产生的等效应力值σ_0y；

计算管道横向方向受到1g加速度时，监测点产生的等效应力值σ_0r；

计算管道垂向方向受到1g加速度时，监测点产生的等效应力值σ_0e；

计算管道纵向方向受到1g加速度时，监测点产生的等效应力值σ_0p，其中，g为重力加速度；

计算并绘制监测点的低周应力循环的累积频数表时，具体包括以下步骤：

根据应力对照表，得到监测点实时温度的σ_0t和实时压力的σ_0y数据；

计算监测点在低周循环载荷下的实时载荷应力值：

σ(t)＝P(t)×σ_0y+T(t)×σ_0t

其中，P(t)为实时压力，T(t)为实时温度；

根据实时载荷应力值绘制低周应力循环历程曲线；

通过雨流计数法对低周应力循环历程曲线进行处理，得到监测点的低周应力循环累积频数表。

2.如权利要求1所述的一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法，其特征在于，计算管道的等效重力载荷因子时，具体包括以下步骤：

根据摇摆和振荡载荷的时间历程曲线，计算船舶的最大纵摇角平均值θ，最大横摇角平均值

纵摇周期平均值T_p，横摇周期平均值T_r，垂荡加速度幅值平均值h_e，以及纵荡加速度幅值平均值S_u；

计算管道中心距船舶中心位置的距离；

根据以上数据，计算管道的等效重力载荷因子。

3.如权利要求2所述的一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法，其特征于：管道中心距船舶中心位置的距离包括管道中心距船舶中心位置的纵向距离X、横向距离Y和垂向距离Z；

计算管道的等效重力载荷因子时，具有包括以下步骤：

分别计算管道在横向、垂向和纵向方向的等效重力载荷因子，纵向的等效重力载荷因子

满足以下公式：

横向的等效重力载荷因子

满足以下公式：

垂向的等效重力载荷因子

满足以下公式：

4.如权利要求3所述的一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法，其特征在于，计算监测点的高周应力循环的累积频数表时，具体包括以下步骤，

根据应力对照表，得到监测点的σ_0r、σ_0e和σ_0p数据；

根据监测点的σ_0r、σ_0e和σ_0p数据，计算监测点在高周循环载荷下的最大应力值，

根据振荡的时间历程曲线，提取垂向振荡频数N_e，得到监测点最大应力值和频数对应的高周应力循环的累积频数表。

5.如权利要求4所述的一种船舶动力管道疲劳应力的监测方法，其特征在于，所述高周循环载荷下的最大应力值包括纵向最大应力值、横向最大应力值和垂向最大应力值，监测点的纵向最大应力值σ_Xmax的计算公式为：

监测点的横向最大应力值σ_Ymax的计算公式为：

监测点的垂向最大应力值σ_Zmax的计算公式为：

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