CN112572728B

CN112572728B - 一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统及识别方法

Info

Publication number: CN112572728B
Application number: CN202011483448.5A
Authority: CN
Inventors: 陈晓东; 崔洪宇; 季顺迎
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2040-12-16
Also published as: CN112572728A

Abstract

本发明属于海冰测试技术领域，涉及到一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统及识别方法，适用于具有直线型船艏的极地船舶。测试系统中，阵列式电阻应变计与动态数据采集仪连接，动态数据采集仪与服务器连接，进行数据处理，结果通过显示屏显示。其中，阵列式电阻应变计采用双片式剪应变测量方法，由4行、10列应变测点组成。通过冰载荷测试装置对船艏在海冰作用下的应变特性进行测试，再通过冰载荷识别方法将应变信号转换为冰载荷数据。本发明结构简单，使用方便，能够实现船舶在冰区航行中对船艏冰载荷特性的高空间分辨率与高精度识别。

Description

一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统及识别方法

技术领域

本发明属于海冰测试技术领域，涉及到一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统，特别涉及到针对全尺寸船舶结构的冰激应变特性测试方法及相应的载荷识别方法。

背景技术

海冰是船舶在冰区航行中所面临的主要环境威胁，船舶航行时船体与海冰相互碰撞可对船舶形成较大的冰载荷。冰载荷可使船体发生变形甚至破坏，同时又可形成较大阻力影响船舶的动力性能。因此，对船舶结构所受冰载荷进行测试可有助于提高船舶在冰区航行中的安全性。

已公知的文献有：

“一种船体冰载荷精细测试数据的动态历程可视化方法CN201610967897.4”，该发明主要提供了船体冰载荷数据的可视化模型以及通过数据对水线进行识别。发明中所针对的触觉传感器仅适用于压力较小的模型试验，若安装于船体外侧则很容易发生破损，同时处决传感器面积通常低于1平方米也不适用于大尺度的实船测试。

“一种自适应极地浮式平台冰载荷防护装置CN201910768096.9”，该发明的应用对象为浮式平台，浮式平台与船舶的结构形式和所受冰载荷的区域明显不同，同时该发明仅提出了采用阵列传感器对冰载荷进行监测而并未说明传感器的工作原理和布局。

“孔帅,崔洪宇,季顺迎.船舶结构海冰载荷的实船测量及反演方法研究.振动与冲击,2020,39(20):8-16.”，该文献中所采用远场识别方法中识别区域距离水线较远，同时所采用的支持向量机方法基于数学回归模型而非物理模型，因此所测得结果的误差水平较高。

“一种极地船舶结构冰载荷的远场测量识别方法CN202010825587.3”，该文献中同样采用远场识别的方法而非水线处的近场识别方法，同时该方法中并未说明船艏应变信号的具体采集装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统及识别方法。通过船艏冰载荷测试系统对船艏在海冰作用下的应变特性进行测试，再通过船艏冰载荷识别方法将应变信号转换为冰载荷数据。

本发明要解决的技术问题是：

针对实船与海冰相互作用时的较大作用力，很难通过传感器直接测量海冰对船体结构的作用力；即使采用传感器直接测量船体与海冰之间的作用力，也因传感器与船体结构的几何参数差异而影响测量精度；对于尺寸较大的实船测试，无法对整个船体结构进行测试；通过结构变形对载荷进行识别时，采用基于回归分析等数学模型的算法很难得到精度较高的结果；采用远场识别方法时，所测得的船体应变信号较弱且所识别的冰载荷精度也较低。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统，所述系统仅适用于具有直线型船艏的极地船舶而并不适用于具有球鼻艏的船型。针对极地船舶所具有的直线型船艏形状，海冰与船艏相互作用区域位于船艏两侧水线处。测试系统包括阵列式电阻应变计1-2、服务器4-3、显示屏4-4、动态数据采集仪4-1和RCCV数据传输导线4-2，其中，阵列式电阻应变计1-2通过RCCV数据传输导线4-2与动态数据采集仪4-1连接，动态数据采集仪4-1与服务器4-3连接，进行数据处理，结果通过显示屏4-4显示。

所述的阵列式电阻应变计1-2采用双片式剪应变测量方法，由4行、10列应变测点所组成，其中，每行在水平方向包括10组应变计，每列在垂直方向包括4组应变计。每两个阵列式电阻应变计1-2为一组应变计，两者之间以相互垂直的方向固定，所测量剪应变方向应垂直于外板2-3方向，即两个相互垂直的电阻应变计之间夹角中分线与外板2-3的方向垂直(根据船体结构与海冰相互作用时的应力状态可知，垂直于船板方向的切应变值最大而平行于船板方向的切应变值最小)。每组中的两个阵列式电阻应变计1-2采用串联连接，通过RCCV数据传输导线4-2与动态数据采集仪4-1连接，用于测量电阻阻值变化。

所述的阵列式电阻应变计1-2在水平方向的布点包括4个强肋骨3-1以及强肋骨3-1之间的肋骨2-4上，测点应于船体内部的肋骨2-4与强肋骨3-1表面，测点与外板2-3之间的距离为肋骨宽度的1/3处，肋骨2-4上下表面被焊接至外板2-3上(肋骨受力过程可简化为梁单元，梁单元在弯曲时靠近中心线处的应变值为零而靠近上下表面处应变值最大；同时肋骨上下表面被焊接至外板上而受约束减小了变形量；在现场安装过程中选择距离外板为肋骨宽度的1/3处更便于操作和实施。综合以上条件，所测位置应变值较大且便于安装。)。所述两个强肋骨3-1之间设有6个肋骨2-4，且两个强肋骨3-1之间间距通常小于3米，因此水平方向测点的间距约为1米。每个肋骨2-4或强肋骨3-1上在竖直方向上以1米的间距布置4个测点，即竖直方向覆盖范围共3米。根据海冰与结构相互作用时的边界效应，结构受压区域约为冰厚的三分之一，因此本发明可测量厚度9米以下海冰对船体结构造成的冰载荷。综合水平与竖直方向上测点之间的间距(各约1米)，本发明对船体冰压力识别时的面积分辨率为1平方米。

本发明采用双片式剪应变测量方法，可通过两个电阻应变计的差值来计算测点的切应变从而抵消温度变化所引起的变形，在测量应变时无需额外安装温度补偿片。传统的应变花式的应变测量每个测点需占用动态采集仪的3个通道，本发明采用的方法每个测点只需占用1个通道，在通道数相同的情况下可增加3倍测点数量从而提高测试精度；根据船体结构的特点，在受到海冰作用后结构产生的剪应变值约为正应变的5倍以上，因此测量剪应变所得到的信号强度较大。

所述的阵列式电阻应变计，其分辨率应高于1微应变且测试噪声低于0.1微应变，船体结构与抗压强度10MPa、厚度1米的海冰相互接触时船体肋骨所产生的切应变约为100微应变，满足本发明所需的电阻应变计可满足测量误差可低于1％。

所述的动态数据采集仪，其A/D转化器的采样频率需高于500Hz，通过平滑曲线对所采集数据进行降噪后的真实采样约为采样频率的1/5，因此真实采样频率约为100Hz；考虑海冰与船体结构的相互作用过程通常为0.5至1秒，因此100Hz的真实采样频率可确保数据点密度能够捕捉到冰力周期中的峰值；通道数要大于40个才可保证至少满足本发明中所需测点数量。

所述的RCCV数据传输导线，其材质应采用线径0.1平方的四芯RVVC导线，RVVC导线具有较低的电阻与较好的屏蔽层，可降低电源线、船舱壁等结构所引起的电磁场；线径0.1平方导线与电阻应变计的输出导线线径相同，便于导线与电阻应变计之间的连接；动态数据采集器与电阻应变计之间的最大导线传输距离应低于10米，当导线长度大于10米时其所受电磁波干扰以及自身电阻的影响会导致0.2微应变的误差。

一种基于剪应变的船艏冰载荷识别方法，包括以下步骤：

S1：对船艏建立有限元模型，模型中采用实体单元，针对肋骨2-4、外板2-3与甲板3-2之间连接处的复杂应力特点，此处采用尺寸小于0.1cm的四面体网格，从而提高反演矩阵的准确率；其余位置采用网格尺寸应小于1cm的六面体网格，从而提高整体的运算效率。

S2：在有限元模型中对阵列式电阻应变计的测点覆盖区域进行划分，具体划分为1米×1米的若干个子区域，根据所述测点布局可划分为40个子区域。

S3：对每个子区域以静压力方式施加载荷，所加载荷不应使结构变形超出弹性范围。根据所施加荷载与结构变形之间关系，计算得到表示应变与压力之间关系影响系数矩阵。

ε_m＝δ_m×mp_m

式中，ε_m为m个测点的应变；δ_m×m为影响系数柔度矩阵；p_m为m个测点的压力。

所述影响系数矩阵展开为：

其中，每个影响系数的求解精度需到达0.01才可使计算得到的冰压误差低于5％。

S4：对柔度矩阵求逆得到影响系数刚度矩阵C_m×m：

C_m×m＝[δ_m×m]^-1

S5:在海冰和船体相互碰撞过程中采集m个测点的应变信号ε_m。

S6：将应变信号矩阵ε_m带入S4中所测得应变信号进行矩阵运算，并计算得到m个子区域的冰压力分布p_m。

本发明可达到得的效果和益处是：本发明所提供的系统解决了实船与海冰相互作用下船体结构的应变特性测试及冰载荷识别。所述一种基于剪应变的船艏冰载荷测试装置可确定船体结构应变的测试区域与测试方法并提供了测试仪器的组成部分，通过该装置所获得应变信号准确率可达95％以上；通过载荷识别方法实现了船舶在冰区航行中对船艏冰载荷特性的高空间分辨率与高精度识别。

附图说明

图1是阵列式电阻应变计测试区域的侧视图示意图。

图2是阵列式电阻应变计测试区域的俯视图示意图。

图3是阵列式电阻应变计中每个测点电阻应变计安装示意图。图中L表示肋骨的宽度。

图4是船艏内部阵列式电阻应变计的测点分布示意图。图中白点区域表示阵列式电阻应变计测量点。

图5是一种基于剪应变的船艏冰载荷测试装置的系统组成示意图。

图6是实施例1步骤S1中测试区域的有限元模型图。

图7是为实施例1步骤S2中加载区域的划分图。

图中：1-1破碎的海冰；1-2阵列式电阻应变计；1-3未破碎的海冰；1-4水线；1-5直线型船艏；2-1测点中1号电阻应变计；2-2测点中的2号电阻应变计；2-3外板；2-4肋骨；3-1强肋骨；3-2甲板；4-1动态数据采集器；4-2RVVC导线；4-3服务器；4-4显示屏。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、操作过程、测试过程及实施实例做进一步的说明。

图1与图2是本发明中阵列式电阻应变计测试区域的侧视图与俯视图。其中1-3未破碎的海冰与船艏发生相互碰撞后成为1-1破碎的海冰，船体主要由船艏向船身过渡区域承受冰载荷，因此该位置则成为1-2阵列式电阻应变计所在区域；此外，1-2阵列式电阻应变计的水平中心处位于1-4水线处。

图3是阵列式电阻应变计中每个测点电阻应变计安装示意图。在每个测点上均安装两个电阻应变计，2-1电阻应变计1与2-2电阻应变计2之间相互垂直且两者夹角的平分线垂直于2-3外板；每个测点的位置距离2-3外板的距离均为2-4肋骨宽度的1/3。

图4是船艏内部阵列式电阻应变计的测点分布示意图。在1-2阵列式电阻应变计的分布中以1-4水线为中心线，竖直方向上在水线上下以相等距离各布置两行测点，水平方向上覆盖四个强肋骨且在每两个强肋骨之间的普通肋骨上等距安装两列测点。

图5是一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统组成示意图。其中1-2阵列式电阻应变计中所有测点均通过4-2RVVC导线连接至4-1动态数据采集仪，并通过数据线将4-3服务器分别与4-1动态数据采集仪和4-4显示屏连接。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

一种基于剪应变的船艏冰载荷识别方法，具体实施案例如下：

为更为简洁的表达本方法，实施案例采用9个测试区域与9个子区域所组成的测试系统，所述步骤经过简单重复即可推广至40个子区域的算例。

S1：建立测试区域的有限元模型，采用壳单元建模，板厚1.95mm，弹性模量70GPa，泊松比0.3。

S2：在有限元模型中对阵列式电阻应变计的测点覆盖区域进行划分。为了便于表达，这里仅划为9个测试区域。

S3：对每个子区域以静压力方式施加载荷，所加载荷不应使结构变形超出弹性范围。根据所施加荷载与结构变形之间关系，计算得到表示应变与压力之间关系影响系数柔度矩阵δ_9×9：

S4：对柔度矩阵求逆，得到刚度矩阵C_9×9：

S5：在海冰和船体相互碰撞过程中采集9个测点的应变信号ε₉：

6.78563E-04

6.72094E-04

2.92627E-04

3.07711E-04

9.37743E-04

5.17090E-04

1.74881E-04

4.30581E-04

1.21966E-03

S6：将应变信号矩阵ε₉与刚度矩阵C_9×9进行矩阵运算即可得到9个子区域的冰压力分布p₉：

1.00E+06

3.23E-10

-2.19E-10

-3.62E-11

-5.73E-11

-5.68E-11

-2.82E-10

-1.89E-10

-3.46E-10

Claims

1.一种船艏冰载荷识别方法，该方法基于一种船艏冰载荷测试系统实现，所述测试系统仅适用于具有直线型船艏的极地船舶；其特征在于，所述的测试系统包括阵列式电阻应变计(1-2)、服务器(4-3)、显示屏(4-4)、动态数据采集仪(4-1)和RCCV数据传输导线(4-2)，其中，阵列式电阻应变计(1-2)通过RCCV数据传输导线(4-2)与动态数据采集仪(4-1)连接，动态数据采集仪(4-1)与服务器(4-3)连接，进行数据处理，结果通过显示屏(4-4)显示；

所述的阵列式电阻应变计(1-2)采用双片式剪应变测量方法，由4行、10列应变测点所组成，其中，在水平方向每行包括10组应变计，在垂直方向每列包括4组应变计；每两个阵列式电阻应变计(1-2)为一组应变计，两者之间以相互垂直的方向固定，所测量剪应变方向垂直于外板(2-3)方向，即两个相互垂直的电阻应变计之间夹角中分线与外板(2-3)的方向垂直；每组中的两个阵列式电阻应变计(1-2)采用串联连接，通过RCCV数据传输导线(4-2)与动态数据采集仪(4-1)连接，用于测量电阻阻值变化；

所述的阵列式电阻应变计(1-2)在水平方向的测点布置在4个强肋骨(3-1)表面以及强肋骨(3-1)之间的肋骨(2-4)表面，肋骨(2-4)上下表面被焊接至外板(2-3)上；每个肋骨(2-4)或强肋骨(3-1)上在竖直方向上以1米的间距布置4个测点；

所述的船艏冰载荷识别方法，包括以下步骤：

S1：对船艏建立有限元模型，模型中采用实体单元，针对肋骨(2-4)、外板(2-3)与甲板(3-2)之间连接处的复杂应力特点，此处采用尺寸小于0.1cm的四面体网格，提高反演矩阵的准确率；其余位置采用网格尺寸应小于1cm的六面体网格，提高整体的运算效率；

S2：在有限元模型中对阵列式电阻应变计的测点覆盖区域进行划分，划分为1米×1米的若干个子区域，根据所述测点布局划分为40个子区域；

S3：对每个子区域以静压力方式施加载荷，所加载荷不应使结构变形超出弹性范围；根据所施加荷载与结构变形之间关系，计算得到表示应变与压力之间关系影响系数矩阵；

ε_m＝δ_m×mp_m

式中，ε_m为m个测点的应变；δ_m×m为影响系数柔度矩阵；p_m为m个测点的压力；

所述影响系数矩阵展开为：

S4：对柔度矩阵求逆得到影响系数刚度矩阵C_m×m：

C_m×m＝[δ_m×m]^-1

S5:在海冰和船体相互碰撞过程中采集m个测点的应变信号ε_m；

2.根据权利要求1所述的一种船艏冰载荷识别方法，其特征在于，所述测点与外板(2-3)之间的距离为肋骨宽度的1/3处。

3.根据权利要求1所述的一种船艏冰载荷识别方法，其特征在于，两个强肋骨(3-1)之间设有6个肋骨(2-4)，且两个强肋骨(3-1)之间间距小于3米，水平方向测点的间距为1米。

4.根据权利要求1所述的一种船艏冰载荷识别方法，其特征在于，所述的阵列式电阻应变计(1-2)，其分辨率应高于1微应变且测试噪声低于0.1微应变。

5.根据权利要求1所述的一种船艏冰载荷识别方法，其特征在于，所述的动态数据采集仪，其A/D转化器的采样频率高于500Hz，通过平滑曲线对所采集数据进行降噪后的真实采样为采样频率的1/5，因此实际采样频率约为100Hz。

6.根据权利要求1所述的一种船艏冰载荷识别方法，其特征在于，所述的RCCV数据传输导线，其材质采用线径0.1平方的四芯RVVC导线。