CN114199436B - 一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船体结构应力监测技术领域，具体涉及一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取方法。通过由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，结合本发明提出的相关方法，可得到船舶监测结构全部等效单元的总应力数据全部等效节点的总应力数据据此便可直观地掌握船舶监测结构的整体应力状态。通过本发明提出的方法，可以准确、快速地获得船舶监测结构的整体应力状态，从而有助于相关人员及时、全面地掌握结构的状态，进而避免了由于监测点位置并非船舶监测结构的最危险位置所引发的船体结构安全性问题。

Description

一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取 方法

技术领域

本发明属于船体结构应力监测技术领域，具体涉及一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取方法。

背景技术

在船体结构应力监测中，通过采用在监测点位置布置传感器的方式，实现了对船体结构进行健康监测的目的，但这仅能获得监测点位置的应力状态；而若想得到船舶监测结构更多位置的应力状态，就需要相应地增加传感器的布置数量。而布置的传感器数量过多，会带来许多问题，如：不利于经济性的要求；数据量成倍地增加，会给监测系统的数据处理带来很大困难等。因此，这就造成了目前的结构监测方法很难获得船舶监测结构整体应力状态的问题。事实上，由于船上人员作业、传感器的安装工艺和走线、监测点位置的结构复杂等因素的制约，会造成传感器的实际安装位置不在事先选定的结构监测点位置的情况；同时，对于在实际海洋环境中营运的船舶，我们也无法确定事先选定的结构监测点位置是否一直是结构的最危险位置，而这都将会给船体结构的安全性带来很大的隐患。事实上，若能通过布置有限数量的传感器，根据由其获得的应力数据得到船舶监测结构的整体应力状态，就可以很好地解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取方法。

一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取方法，包括以下步骤：

步骤1：获取船舶监测结构，分析船舶监测结构可能遭受的全部形式外部载荷{F₁，...，F_γ}；对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的第一离散模型、以结构强度评估要求范围为等效单元尺寸的第二离散模型；

步骤2：对船舶监测结构施加某种形式的外部载荷F_s的单位载荷F_s0，由第一离散模型获取各监测点位置的单位应力数据由第二离散模型获取各等效单元ij的单位应力数据/>

步骤3：筛选各等效单元ij的单位应力数据确定船舶监测结构与外部载荷F_s对应的基准等效单元，并规定该基准等效单元的单位应力数据为/>计算船舶监测结构与外部载荷F_s对应的等效单元间的应力关系系数/>

步骤4：重复步骤2-3，获取与各种形式外部载荷F_s对应的各监测点位置的单位应力数据各等效单元ij的单位应力数据/>基准等效单元的单位应力数据/>各等效单元间的应力关系系数/>

步骤5：根据实际布置在船舶监测结构各监测点位置的传感器获得的应力数据通过载荷识别方法，由第一离散模型确定船舶监测结构实际遭受的外部载荷形式{...，F_α，...}，进而获得与各种形式外部载荷F_α对应的各监测点位置的/>计算与外部载荷F_α对应的应力放大系数k_α；

步骤6：计算与船舶监测结构实际遭受的各种形式外部载荷F_α对应的全部等效单元应力数据

步骤7：对步骤6获得的与船舶监测结构实际遭受的各种形式外部载荷F_α对应的全部等效单元应力数据进行叠加处理，获取船舶监测结构各等效单元的总应力数据/>

步骤8：采用由等效单元应力获得等效节点应力的简化方法，结合已获得的船舶监测结构各等效单元的总应力数据得到船舶监测结构各等效节点的总应力数据/>由已获得的船舶监测结构各等效单元总应力数据/>各等效节点总应力数据/>采用可视化方法，即可获得船舶监测结构的整体应力状态；

其中，r为以等效节点pq为共用节点的全部等效单元的个数；为以等效节点pq为共用节点的第m个等效单元的总应力数据。

进一步地，所述步骤8中若以等效节点pq为共用节点的各等效单元形状和大小不同，则对于等效节点pq，其总应力数据计算方法为：

若第二离散模型为二维模型，则A^m为以等效节点pq为共用节点的第m个等效单元的面积；若第二离散模型为三维模型，则/>Ω^m为以等效节点pq为共用节点的第m个等效单元的体积。

本发明的有益效果在于：

本发明实现了对船舶监测结构整体应力状态的快速获取。通过由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，结合本发明提出的相关方法，可得到船舶监测结构全部等效单元的总应力数据全部等效节点的总应力数掘/>据此便可直观地掌握船舶监测结构的整体应力状态。本发明有助于船舶监测结构整体应力状态的实时获取，通过获得船舶监测结构的两个离散模型，并分别对各离散模型进行相应的研究，避免了由传感器监测范围确定的单元尺寸与船体结构特定强度评估要求的单元尺寸不一致，所带来的单元应力之间的转换工作，这在很大程度上节约了时间，从而有利于结构整体应力获取的实时性。通过本发明提出的方法，可以准确、快速地获得船舶监测结构的整体应力状态，从而有助于相关人员及时、全面地掌握结构的状态，进而避免了由于监测点位置并非船舶监测结构的最危险位置所引发的船体结构安全性问题。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

在现有的船体结构应力监测中，通过采用在监测点位置布置传感器的方式，实现了对船体结构进行健康监测的目的；但这仅能获得结构在传感器布置位置的应力状态，而无法知晓船舶监测结构的整体应力状态。事实上，对于船舶的监测结构而言，由于部分现实因素的制约，会造成传感器的实际安装位置不在事先选定的监测点位置的情况；同时，对于在实际海洋环境中营运的船舶，我们也无法确定事先选定的监测点位置是否一直是船舶监测结构的最危险位置，而若出现监测点位置并非船舶监测结构最危险位置的情况，就会给船舶的安全性带来很大的隐患。而若能通过由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，得到船舶监测结构的整体应力状态，就可以很好地解决以上问题。

基于此，本发明提出了一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取方法，具体流程见图1。该方法通过由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，实现了对船舶监测结构整体应力状态的快速获取，有效地避免了由于监测点位置并非船舶监测结构的最危险位置所引发的船体结构的安全性问题。

本发明由有限元方法的思想，通过单元应力和节点应力来描述结构的应力状态。首先，对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的第一离散模型、以结构强度评估要求范围为等效单元尺寸的第二离散模型。特别地，第一离散模型用于获取作用于船舶监测结构的某种形式外部载荷的应力放大系数；第二离散模型用于获取与该种形式外部载荷对应的等效单元的应力数据。然后，采用外部载荷应力放大系数的获取方法，等效单元间应力关系系数的确定方法、等效单元应力的获取方法、由等效单元应力获得等效节点应力的简化方法，最终分别得到船舶监测结构各等效单元的总应力数据、各等效节点的总应力数据。

首先，对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的第一离散模型、以结构强度评估要求范围为等效单元尺寸的第二离散模型。其次，对船舶监测结构施加某种形式外部载荷的单位载荷，由第一离散模型获得与该种形式外部载荷对应的监测点位置的单位应力数据；同时，由第二离散模型获得与该种形式外部载荷对应的全部等效单元的单位应力数据；重复该过程，直至遍历了船舶监测结构可能遭受的全部形式外部载荷。然后，根据与上述各种形式外部载荷对应的全部等效单元的单位应力数据，先分别确定船舶监测结构的基准等效单元；再由等效单元间应力关系系数的确定方法，获得船舶监测结构与各种形式外部载荷对应的等效单元间的应力关系系数。之后，根据由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，由第一离散模型得到船舶监测结构实际遭受的各种形式外部载荷及其应力放大系数。再后，由已获得的与上述船舶监测结构实际遭受的各种形式外部载荷对应的应力放大系数、等效单元间应力关系系数，结合与每种形式外部载荷对应的基准等效单元的单位应力数据，获得与船舶监测结构实际遭受的各种形式外部载荷对应的全部等效单元的应力数据；对与上述各种形式外部载荷对应的等效单元应力数据进行叠加处理，得到船舶监测结构各等效单元的总应力数据。最后，由等效单元应力获得等效节点应力的简化方法，结合已获得的各等效单元的总应力数据，得到船舶监测结构各等效节点的总应力数据。进而，由已获得等效单元的总应力数据、等效节点的总应力数据，采用可视化方法，即可获得船舶监测结构的整体应力状态。

本发明的原理如下：

1)外部载荷应力放大系数的获取方法

由传感器的监测范围对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的第一离散模型。然后，对船舶监测结构施加某种形式外部载荷F_s(s＝1，2，…，γ)的单位载荷F_s0，由第一离散模型获得与该种形式外部载荷对应的监测点位置的单位应力数据(/>或/>)。设外部载荷F_s的应力放大系数为k_s，则由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据/>可表示为：

式中，为与外部载荷F_s(s＝1，2，…，γ)对应的监测点位置的应力数据。

若在监测点位置布置了单向传感器，则所述应力数据为监测点位置的应力值，即若在监测点位置布置了三向传感器，则所述应力数据为监测点位置的各应力分量值，即/>

特别地，根据由布置在监测点位置的传感器获取的应力数据采用适当的载荷识别方法，可确定船舶监测结构实际遭受的外部载荷形式F_α(α∈{s})，进而可获得与上述各种形式外部载荷F_α对应的监测点位置的应力数据/>从而，与该种形式外部载荷F_α对应的应力放大系数k_α可由公式(2)计算得到：

2)等效单元间应力关系系数的确定方法

由船体结构特定强度评估要求的范围，对船舶监测结构进行离散处理，得到以结构强度评估要求范围为等效单元尺寸的第二离散模型。然后，对船舶监测结构施加某种形式外部载荷F_s(s＝1，2，…，γ)的单位载荷F_s0，获得第二离散模型中全部等效单元的单位应力数据筛选上述各等效单元的单位应力数据，确定船舶监测结构与该种形式外部载荷对应的基准等效单元，并规定该基准等效单元的单位应力数据为/>

此时，对于该种形式的外部载荷F_s，与之对应的船舶监测结构各等效单元间应力关系系数可由公式(3)计算得到：

3)等效单元应力的获取方法

对于作用在船舶监测结构上的某种形式外部载荷F_s，结合与其对应的应力放大系数k_s、船舶监测结构等效单元间的应力关系系数和基准等效单元的单位应力数据则与该种形式外部载荷对应的船舶监测结构全部等效单元的应力数据/>可由公式(4)计算得到。

特别地，若船舶监测结构同时遭受多种形式外部载荷的作用，则对于每种形式的外部载荷，均可由公式(4)计算得到与其对应的等效单元应力数据进而，对与各种形式外部载荷对应的等效单元应力数据进行叠加处理，由公式(5)即可获得船舶监测结构各等效单元的总应力数据/>

4)由等效单元应力获得等效节点应力的简化方法

若船舶监测结构的某特定强度评估是基于节点应力进行的，则由已获得的各等效单元的总应力数据就无法直接完成相应结构强度的评估工作。此时，需要确定由等效单元应力获得等效节点应力的简化方法，具体如下：

对于节点pq，其总应力数据可由公式(6)计算得到：

其中，r为以节点pq为共用节点的全部等效单元的个数；为以节点pq为共用节点的第m个等效单元的总应力数据。

若以节点pq为共用节点的各单元形状和大小不同，则对于节点pq，其总应力数据也可由公式(7)计算得到：

特别地，对于第二离散模型为二维模型的情况，有：

其中，A^m为以节点pq为共用节点的第m个等效单元的面积。

对于第二离散模型为三维模型的情况，有：

其中，Ω^m为以节点pq为共用节点的第m个等效单元的体积。

本发明的具体方法如下：

1)对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的第一离散模型、以结构强度评估要求范围为等效单元尺寸的第二离散模型。

2)对船舶监测结构施加某种形式外部载荷F_s的单位载荷F_s0，由第一离散模型获得与之对应的监测点位置的单位应力数据同时，由第二离散模型获得与之对应的全部等效单元的单位应力数据/>

3)结合已获得的全部等效单元的单位应力数据，选定与该种形式外部载荷F_s对应的基准等效单元，采用等效单元间应力关系系数的确定方法，由公式(3)计算得到船舶监测结构与该种形式外部载荷对应的等效单元间的应力关系系数

4)分析船舶监测结构可能遭受的全部形式外部载荷F_s(s＝1，2，…，γ)，重复上述2)、3)，获得与各种形式外部载荷对应的监测点位置的单位应力数据、船舶监测结构各等效单元间的应力关系系数、船舶监测结构基准等效单元的单位应力数据。

5)根据由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，采用适当的载荷识别方法，由第一离散模型确定船舶监测结构实际遭受的外部载荷形式F_α(α∈{s})，进而获得与上述各种形式外部载荷F_α对应的监测点位置的应力数据；再结合已事先获得的监测点位置与上述各种形式外部载荷F_α对应的单位应力数据，采用外部载荷应力放大系数的获取方法，对应地得到对应形式外部载荷的应力放大系数k_α。

6)由已获得的与船舶监测结构实际遭受的各种形式外部载荷F_α对应的应力放大系数k_α(α∈{s})、等效单元间的应力关系系数结合与每种形式外部载荷对应的基准等效单元的单位应力数据/>由公式(4)计算得到与各种形式外部载荷对应的全部等效单元应力数据/>

7)对由6)获得的与各种形式外部载荷对应的全部等效单元应力数据进行叠加处理，由公式(5)获得船舶监测结构各等效单元的总应力数据

8)采用由等效单元应力获得等效节点应力的简化方法，结合已获得的船舶监测结构各等效单元的总应力数据得到船舶监测结构各等效节点的总应力数据/>由已获得的等效单元总应力数据/>等效节点总应力数据/>进而采用可视化方法，即可获得船舶监测结构的整体应力状态。

本发明给出了一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取方法，通过由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，实现了对船舶监测结构整体应力状态的快速获取，有效地避免了由于监测点位置并非船舶监测结构的最危险位置所引发的船体结构的安全性问题。其具体特点如下：

1)该方法实现了对船舶监测结构整体应力状态的快速获取。通过由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，结合本发明提出的相关方法，可得到船舶监测结构全部等效单元的总应力数据全部等效节点的总应力数据/>据此便可直观地掌握船舶监测结构的整体应力状态。

2)该方法能有效地避免船体结构安全性问题的发生。通过本发明提出的方法，可以准确、快速地获得船舶监测结构的整体应力状态，从而有助于相关人员及时、全面地掌握结构的状态，进而避免了由于监测点位置并非船舶监测结构的最危险位置所引发的船体结构安全性问题。

3)该方法有助于船舶监测结构整体应力状态的实时获取。通过获得船舶监测结构的两个离散模型，并分别对各离散模型进行相应的研究，避免了由传感器监测范围确定的单元尺寸与船体结构特定强度评估要求的单元尺寸不一致，所带来的单元应力之间的转换工作，这在很大程度上节约了时间，从而有利于结构整体应力获取的实时性。

进一步限定，对于与某种形式外部载荷对应的基准等效单元的选取，应取为在该种形式外部载荷的单位载荷作用下，应力最大的等效单元。

进一步限定，对于专利中“应力数据”的表述，具体为：若在监测点位置布置了单向传感器，则所指的应力数据为监测点位置的应力值，且有若在监测点位置布置了多向传感器，则所指的应力数据为监测点位置的各应力分量值，且有/>

进一步限定，若在监测点位置布置了多向传感器，则对于船舶监测结构各等效单元或各等效节点，均应按照专利中的方法得到其总应力数据；然后，结合船体结构监测的目标强度类型，采用对应的应力合成公式，最终得到用于船体结构强度评估的应力值，并将之用于船体结构整体应力状态的获取。

实施例1：

一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取方法，包括以下步骤：

步骤1：获取船舶监测结构，分析船舶监测结构可能遭受的全部形式外部载荷{F₁，...，F_γ}；对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的第一离散模型、以结构强度评估要求范围为等效单元尺寸的第二离散模型；

步骤2：对船舶监测结构施加某种形式的外部载荷F_s的单位载荷F_s0，由第一离散模型获取各监测点位置的单位应力数据由第二离散模型获取各等效单元ij的单位应力数据/>

步骤3：筛选各等效单元ij的单位应力数据确定船舶监测结构与外部载荷F_s对应的基准等效单元，并规定该基准等效单元的单位应力数据为/>计算船舶监测结构与外部载荷F_s对应的等效单元间的应力关系系数/>

步骤4：重复步骤2-3，获取与各种形式外部载荷F_s对应的各监测点位置的单位应力数据各等效单元ij的单位应力数据/>基准等效单元的单位应力数据/>各等效单元间的应力关系系数/>

步骤5：根据实际布置在船舶监测结构各监测点位置的传感器获得的应力数据通过载荷识别方法，由第一离散模型确定船舶监测结构实际遭受的外部载荷形式{...，F_α，...}，进而获得与各种形式外部载荷F_α对应的各监测点位置的/>计算与外部载荷F_α对应的应力放大系数k_α；

步骤6：计算与船舶监测结构实际遭受的各种形式外部载荷F_α对应的全部等效单元应力数据

步骤7：对步骤6获得的与船舶监测结构实际遭受的各种形式外部载荷F_α对应的全部等效单元应力数据进行叠加处理，获取船舶监测结构各等效单元的总应力数据/>

步骤8：采用由等效单元应力获得等效节点应力的简化方法，结合已获得的船舶监测结构各等效单元的总应力数据得到船舶监测结构各等效节点的总应力数据/>由已获得的船舶监测结构各等效单元总应力数据/>各等效节点总应力数据/>采用可视化方法，即可获得船舶监测结构的整体应力状态；

其中，r为以等效节点pq为共用节点的全部等效单元的个数；为以等效节点pq为共用节点的第m个等效单元的总应力数据；

若以等效节点pq为共用节点的各等效单元形状和大小不同，则对于等效节点pq，其总应力数据计算方法为：

若第二离散模型为二维模型，则A^m为以等效节点pq为共用节点的第m个等效单元的面积；若第二离散模型为三维模型，则/>Ω^m为以等效节点pq为共用节点的第m个等效单元的体积。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取船舶监测结构，分析船舶监测结构可能遭受的全部形式外部载荷{F₁,...,F_γ}；对船舶监测结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的第一离散模型、以结构强度评估要求范围为等效单元尺寸的第二离散模型；

步骤2：对船舶监测结构施加某种形式的外部载荷F_s的单位载荷F_s0，由第一离散模型获取各监测点位置的单位应力数据由第二离散模型获取各等效单元ij的单位应力数据/>

步骤3：筛选各等效单元ij的单位应力数据确定船舶监测结构与外部载荷F_s对应的基准等效单元，并规定该基准等效单元的单位应力数据为/>计算船舶监测结构与外部载荷F_s对应的等效单元间的应力关系系数/>

步骤4：重复步骤2-3，获取与各种形式外部载荷F_s对应的各监测点位置的单位应力数据各等效单元ij的单位应力数据/>基准等效单元的单位应力数据各等效单元间的应力关系系数/>

步骤5：根据实际布置在船舶监测结构各监测点位置的传感器获得的应力数据通过载荷识别方法，由第一离散模型确定船舶监测结构实际遭受的外部载荷形式{...,F_α,...}，进而获得与各种形式外部载荷F_α对应的各监测点位置的/>计算与外部载荷F_α对应的应力放大系数k_α；

步骤6：计算与船舶监测结构实际遭受的各种形式外部载荷F_α对应的全部等效单元应力数据

步骤7：对步骤6获得的与船舶监测结构实际遭受的各种形式外部载荷F_α对应的全部等效单元应力数据进行叠加处理，获取船舶监测结构各等效单元的总应力数据/>

步骤8：采用由等效单元应力获得等效节点应力的简化方法，结合已获得的船舶监测结构各等效单元的总应力数据得到船舶监测结构各等效节点的总应力数据/>由已获得的船舶监测结构各等效单元总应力数据/>各等效节点总应力数据/>采用可视化方法，即可获得船舶监测结构的整体应力状态；

其中，r为以等效节点pq为共用节点的全部等效单元的个数；为以等效节点pq为共用节点的第m个等效单元的总应力数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于传感器数据的船舶监测结构整体应力状态快速获取方法，其特征在于：所述步骤8中若以等效节点pq为共用节点的各等效单元形状和大小不同，则对于等效节点pq，其总应力数据计算方法为：

若第二离散模型为二维模型，则A^m为以等效节点pq为共用节点的第m个等效单元的面积；若第二离散模型为三维模型，则/>Ω^m为以等效节点pq为共用节点的第m个等效单元的体积。