CN114199439A - 一种基于传感器数据的船体结构屈服强度评估应力获取方法 - Google Patents

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CN114199439A CN202111509694.8A CN202111509694A CN114199439A CN 114199439 A CN114199439 A CN 114199439A CN 202111509694 A CN202111509694 A CN 202111509694A CN 114199439 A CN114199439 A CN 114199439A
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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体结构屈服强度评估应力获取方法。本发明能实现由节点应力数据获得与其对应的基准单元的应力数据。在获得了待监测结构监测点位置的应力数据后，结合由节点应力获得单元应力的简化方法、以监测点为共用节点的单元间的应力关系系数，便可得到以监测点为共用节点的基准单元的应力数据。本发明能实现由基准单元的应力数据获得研究范围内全部单元的应力数据。在由监测点位置的应力数据获得了基准单元的应力数据后，根据研究范围内单元间的应力关系系数，便可获得研究范围内全部单元的应力数据。

Description

一种基于传感器数据的船体结构屈服强度评估应力获取方法
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体结构屈服强度评估应力获取方法。
背景技术
在船体结构应力监测中，通过在监测点位置布置传感器，由其获得待监测结构监测点位置的实时应力数据；然后，直接将该实时应力数据输入到结构屈服强度评估模块，完成待监测结构应力状态的实时评估。但这仅能获得监测点位置的应力状态，而无法给出结构的整体应力状态。出于对船体结构整体应力状态获取的需求，考虑结合有限元方法的思想，基于由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，研究给出待监测结构整体应力状态的获取方法。但这需要首先给出将由传感器获得的应力数据处理为用于船体结构屈服强度评估的应力数据的方法。对于传感器的监测范围，一般认为是由其尺寸a构成的范围a×a，但在绝大多数情况下，传感器的监测范围与船体结构屈服强度评估所要求的范围是不同的，从而造成了由传感器获得的应力数据与实际用于船体结构屈服强度评估的应力数据存在差异，这会影响到待监测结构应力状态的准确评估，也不利于人员对结构真实应力状态的掌握，进而可能会对船舶的真实状态做出误判。
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体结构屈服强度评估应力获取方法。
一种基于传感器数据的船体结构屈服强度评估应力获取方法，包括以下步骤：
步骤1：获取待监测结构；考虑船体结构屈服强度评估所要求的范围b×b，记为等效单元；以监测点pq为起始点，由传感器的监测范围a×a对待监测结构进行离散处理，得到待监测结构的离散模型，并将以监测点pq为共用节点的各等效单元的尺寸范围确定为研究范围；其中，a＜b；
步骤2：对待监测结构的离散模型施加特定形式外部载荷Fs的单位载荷Fs0，获得研究范围内全部单元的应力数据
Figure BDA0003405283500000011
并在以监测点pq为共用节点的r个单元中选择某个单元作为基准单元，记其应力数据为
Figure BDA0003405283500000012
步骤3：结合已获得的研究范围内全部单元的应力数据
Figure BDA0003405283500000013
计算得到单元间的应力关系系数
Figure BDA0003405283500000014
Figure BDA0003405283500000021
步骤4：根据与特定形式外部载荷Fs对应的监测点pq位置的应力数据
Figure BDA0003405283500000022
获取基准单元的应力数据
Figure BDA0003405283500000023
结合单元间的应力关系系数
Figure BDA0003405283500000024
计算得到研究范围内全部单元的应力数据
Figure BDA0003405283500000025
Figure BDA0003405283500000026
Figure BDA0003405283500000027
其中，
Figure BDA0003405283500000028
为与特定形式外部载荷Fs对应的以监测点为共用节点的第m个单元间的应力关系系数，
Figure BDA0003405283500000029
步骤5：若在监测点pq位置布置了单向传感器，则按下式计算用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力
Figure BDA00034052835000000210
Figure BDA00034052835000000211
其中，η为以监测点pq为共用节点的等效单元的数量；σk-V(Fs)为用于等效单元应力
Figure BDA00034052835000000212
获取的单元k的应力；Ak为单元k的面积；l为用于等效单元应力
Figure BDA00034052835000000213
获取的单元总数；
若在监测点pq位置布置了三向传感器，则按下式计算用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力分量
Figure BDA00034052835000000214
Figure BDA00034052835000000215
其中，
Figure BDA00034052835000000216
为用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力的
Figure BDA00034052835000000217
方向应力分量；
Figure BDA00034052835000000218
为用于等效单元应力分量
Figure BDA00034052835000000219
获取的单元k的
Figure BDA00034052835000000220
方向应力分量；
步骤6：若在监测点pq位置布置了单向传感器，已获得的等效单元应力
Figure BDA00034052835000000221
即为用于船体结构屈服强度评估的等效应力；
若在监测点pq位置布置了三向传感器，则在获得了等效单元应力分量
Figure BDA0003405283500000031
Figure BDA0003405283500000032
后，采用应力合成公式计算得到用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力
Figure BDA0003405283500000033
Figure BDA0003405283500000034
本发明的有益效果在于：
本发明能实现由节点应力数据获得与其对应的基准单元的应力数据。在获得了待监测结构监测点位置的应力数据后，结合由节点应力获得单元应力的简化方法、以监测点为共用节点的单元间的应力关系系数，便可得到以监测点为共用节点的基准单元的应力数据。本发明能实现由基准单元的应力数据获得研究范围内全部单元的应力数据。在由监测点位置的应力数据获得了基准单元的应力数据后，根据研究范围内单元间的应力关系系数，便可获得研究范围内全部单元的应力数据。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明中待监测结构研究范围示意图。
图3为本发明中监测点位置的传感器布置形式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
在现有的船体结构屈服强度监测中，由布置在监测点位置的传感器获得实时应力数据；然后，直接将该实时应力数据输入到结构屈服强度评估模块，完成待监测结构应力状态的实时评估，但这无法给出结构的整体应力状态。因此，出于对船体结构整体应力状态获取的需求，考虑结合有限元方法的思想，基于由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，研究给出待监测结构整体应力状态的获取方法。但由于传感器的监测范围与船体结构屈服强度评估所要求的范围存在差异，若将由传感器获得的应力数据直接应用到待监测结构的整体应力状态获取中，这会影响到待监测结构应力状态评估的准确性，不利于人员掌握结构的真实应力状态，进而可能会造成人员对船舶的状态给出错误的判断。所以，需要首先给出将由传感器获得的应力数据处理为用于船体结构屈服强度评估的应力数据的方法。
因此，本发明采用和借鉴有限元方法的思想，合理地确定待监测结构的离散模型，进而确定待监测结构的研究范围。首先，对待监测结构进行结构分析，采用单元间的应力关系系数获取方法，得到其研究范围内各单元间的应力关系系数。然后，结合由传感器获得的监测点位置的应力数据，采用由节点应力获得单元应力的简化方法，获得待监测结构研究范围内全部单元的应力数据。最后，采用船体结构屈服强度评估应力的获取方法，实现了对船体结构屈服强度评估应力的准确获取。基于此，本发明提出了一种基于传感器数据的船体结构屈服强度评估应力获取方法，其具体流程见图1。
首先，以监测点为起始点，合理地确定结构的离散方式，得到待监测结构的离散模型，并将以监测点为共用节点的各等效单元的尺寸范围确定为研究范围。其次，对该离散模型施加某种特定形式外部载荷的单位载荷，获得研究范围内全部单元的应力数据，并在以监测点为共用节点的单元中选择某个单元作为基准单元。然后，结合已获得的研究范围内各单元的应力数据，由单元间的应力关系系数获取方法，对应地得到单元间的应力关系系数。再后，根据与该种形式外部载荷对应的监测点位置的应力数据，结合由节点应力获得单元应力的简化方法，首先获得基准单元的应力数据；进而，结合单元间的应力关系系数，对应地得到研究范围内全部单元的应力数据。最后，根据船体结构屈服强度评估应力的获取方法，匹配监测点位置传感器的布置情况，对应地处理上述各单元应力数据，得到用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力数据。
1)单元间的应力关系系数获取方法
首先，考虑船体结构屈服强度评估所要求的范围b×b(记为等效单元，b一般为50mm)，以监测点为起始点，由传感器的监测范围a×a(a＜b)对结构进行离散处理，得到待监测结构的离散模型，并将以监测点为共用节点的各等效单元的尺寸范围确定为研究范围，见图2。然后，对待监测结构施加某种特定形式外部载荷Fs的单位载荷Fs0，获得上述研究范围内全部单元的应力数据
Figure BDA0003405283500000041
(
Figure BDA0003405283500000042
或X,Y,XY；v＝1,2,…,w)。最后，结合上述各单元的应力数据
Figure BDA0003405283500000043
选取以监测点为共用节点的r个单元中的某个单元作为基准单元，并记其应力数据为
Figure BDA0003405283500000044
从而，待监测结构单元间的应力关系系数
Figure BDA0003405283500000045
可由公式(1)计算得到。
Figure BDA0003405283500000046
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
Figure BDA0003405283500000047
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
Figure BDA0003405283500000048
2)由节点应力获得单元应力的简化方法
在对待监测结构进行屈服强度评估时，应是基于单元应力进行的，因而就无法直接采用由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，而需要对其进行一定的处理。相应地，本发明给出了将由传感器获得的应力数据处理为船体结构屈服强度评估所需要的单元应力数据的方法，具体如下：
事实上，在某种形式外部载荷Fs的作用下，对于监测点pq，其应力数据
Figure BDA0003405283500000051
可由公式(2)计算得到：
Figure BDA0003405283500000052
其中，r为以监测点pq为共用节点的全部单元的个数；
Figure BDA0003405283500000053
为以监测点pq为共用节点的第m个单元的应力数据。
结合与该种形式外部载荷Fs对应的单元间应力关系系数
Figure BDA0003405283500000054
监测点pq的应力数据
Figure BDA0003405283500000055
可进一步表示为：
Figure BDA0003405283500000056
从而，基准单元的应力数据
Figure BDA0003405283500000057
可由公式(4)计算得到：
Figure BDA0003405283500000058
在获得了待监测结构研究范围内基准单元的应力数据后，该研究范围内各单元的应力数据可由公式(5)计算得到：
Figure BDA0003405283500000059
3)船体结构屈服强度评估应力的获取方法
由于采用传感器监测范围得到的单元尺寸与船体结构屈服强度评估要求的单元尺寸存在差异，故需要对已获得的与传感器数据对应的单元应力数据进行一定的处理，以得到用于船体结构屈服强度评估的单元应力数据。具体地，可以采用基于单元面积的面积加权平均方法来实现。对于在监测点位置布置了单向传感器(见图3a)的情况，有：
Figure BDA00034052835000000510
其中，η为以监测点为共用节点的等效单元的数量，η＝1，2，…；
Figure BDA00034052835000000511
为用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力；σk-V(Fs)为用于等效单元应力
Figure BDA0003405283500000061
获取的单元k的应力；Ak为单元k的面积；l为用于等效单元应力
Figure BDA0003405283500000062
获取的单元总数。
对于在监测点位置布置了三向传感器(见图3b)的情况，有：
Figure BDA0003405283500000063
其中，
Figure BDA0003405283500000064
为用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力的
Figure BDA0003405283500000065
方向应力分量；
Figure BDA0003405283500000066
为用于等效单元应力分量
Figure BDA0003405283500000067
获取的单元k的
Figure BDA0003405283500000068
方向应力分量。
此时，若在监测点位置布置单向传感器，则对于已获得的监测点位置的等效单元应力
Figure BDA0003405283500000069
即为用于船体结构屈服强度评估的等效应力。若在监测点位置布置三向传感器，则在获得了各等效单元的应力分量
Figure BDA00034052835000000610
后，采用应力合成公式(8)，即可计算得到用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力
Figure BDA00034052835000000611
Figure BDA00034052835000000612
本发明的具体方法如下：
1)以监测点为起始点，以传感器的监测范围为单元尺寸，合理地确定结构的离散方式，得到待监测结构的离散模型，并将以监测点为共用节点的各等效单元的尺寸范围确定为研究范围。
2)对该离散模型施加某种特定形式外部载荷Fs的单位载荷Fs0，获得研究范围内全部单元的应力数据
Figure BDA00034052835000000613
(
Figure BDA00034052835000000614
或X,Y,XY；v＝1,2,…,w)，并在以监测点为共用节点的r个单元中选择某个单元作为基准单元，记其应力数据为
Figure BDA00034052835000000615
3)结合已获得的研究范围内全部单元的应力数据
Figure BDA00034052835000000616
根据单元间的应力关系系数获取方法，由公式(1)对应地计算得到单元间的应力关系系数
Figure BDA00034052835000000617
4)根据与该种形式外部载荷Fs对应的监测点位置的应力数据
Figure BDA00034052835000000618
结合由节点应力获得单元应力的简化方法，由公式(4)首先获得基准单元的应力数据
Figure BDA00034052835000000619
进而，结合单元间的应力关系系数
Figure BDA00034052835000000620
由公式(5)对应地计算得到研究范围内全部单元的应力数据
Figure BDA00034052835000000621
5)根据船体结构屈服强度评估应力的获取方法，匹配监测点位置传感器的布置情况：若在监测点位置布置了单向传感器，则采用公式(6)处理已获得的各单元应力σv-V(Fs)，得到用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力
Figure BDA0003405283500000071
若在监测点位置布置了三向传感器，则采用公式(7)处理已获得的各单元应力分量
Figure BDA0003405283500000072
对应地获得用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力分量
Figure BDA0003405283500000073
6)若在监测点位置布置了单向传感器，已获得的等效单元应力
Figure BDA0003405283500000074
即为用于船体结构屈服强度评估的等效应力；若在监测点位置布置了三向传感器，则在获得了等效单元应力分量
Figure BDA0003405283500000075
后，采用应力合成公式(8)，可对应地计算得到用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力
Figure BDA0003405283500000076
本发明具体特点如下：
1)该方法能实现由节点应力数据获得与其对应的基准单元的应力数据。在获得了待监测结构监测点位置的应力数据后，结合由节点应力获得单元应力的简化方法、以监测点为共用节点的单元间的应力关系系数，便可得到以监测点为共用节点的基准单元的应力数据。
2)该方法能实现由基准单元的应力数据获得研究范围内全部单元的应力数据。在由监测点位置的应力数据获得了基准单元的应力数据后，根据研究范围内单元间的应力关系系数，便可获得研究范围内全部单元的应力数据。
3)该方法能给出用于船体结构屈服强度评估的应力。传感器的监测具有一定的范围，且该范围与船体结构屈服强度评估所要求的范围存在差异，采用本发明的船体结构屈服强度评估应力的获取方法，实现了对待监测结构屈服强度的评估应力的获取，保证了船体结构屈服强度的准确评估。
进一步限定，在b/a为非整数的情况，以待监测结构的监测点为起始点，尽可能多地以a×a作为划分待监测结构的单元尺寸，至少应保证以监测点为共用节点的各单元的尺寸为a×a。
进一步限定，对于基准单元的选取，应在以监测点为共用节点的单元中进行，且应选择应力最大的单元。
进一步限定，对于单元间的应力关系系数，其与待监测结构所遭受的外部载荷形式有关，即对于某种特定形式的外部载荷，在结构离散方式确定时，待监测结构单元间的应力关系系数为定值。
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
Figure BDA0003405283500000081
若在监测点位置布置了三向传感器，则所指的应力数据为监测点位置的各应力分量值，且有
Figure BDA0003405283500000082
实施例1：
一种基于传感器数据的船体结构屈服强度评估应力获取方法，包括以下步骤：
步骤1：获取待监测结构；考虑船体结构屈服强度评估所要求的范围b×b，记为等效单元；以监测点pq为起始点，由传感器的监测范围a×a对待监测结构进行离散处理，得到待监测结构的离散模型，并将以监测点pq为共用节点的各等效单元的尺寸范围确定为研究范围；其中，a＜b；
步骤2：对待监测结构的离散模型施加特定形式外部载荷Fs的单位载荷Fs0，获得研究范围内全部单元的应力数据
Figure BDA0003405283500000083
并在以监测点pq为共用节点的r个单元中选择某个单元作为基准单元，记其应力数据为
Figure BDA0003405283500000084
其中，v＝1,2,…,w；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
Figure BDA0003405283500000085
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
Figure BDA0003405283500000086
步骤3：结合已获得的研究范围内全部单元的应力数据
Figure BDA0003405283500000087
计算得到单元间的应力关系系数
Figure BDA0003405283500000088
Figure BDA0003405283500000089
步骤4：根据与特定形式外部载荷Fs对应的监测点pq位置的应力数据
Figure BDA00034052835000000810
获取基准单元的应力数据
Figure BDA00034052835000000811
结合单元间的应力关系系数
Figure BDA00034052835000000812
计算得到研究范围内全部单元的应力数据
Figure BDA00034052835000000813
Figure BDA00034052835000000814
Figure BDA00034052835000000815
其中，
Figure BDA00034052835000000816
为与特定形式外部载荷Fs对应的以监测点为共用节点的第m个单元间的应力关系系数，
Figure BDA0003405283500000091
步骤5：若在监测点pq位置布置了单向传感器，则按下式计算用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力
Figure BDA0003405283500000092
Figure BDA0003405283500000093
其中，η为以监测点pq为共用节点的等效单元的数量；σk-V(Fs)为用于等效单元应力
Figure BDA0003405283500000094
获取的单元k的应力；Ak为单元k的面积；l为用于等效单元应力
Figure BDA0003405283500000095
获取的单元总数；
若在监测点pq位置布置了三向传感器，则按下式计算用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力分量
Figure BDA0003405283500000096
Figure BDA0003405283500000097
其中，
Figure BDA0003405283500000098
为用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力的
Figure BDA0003405283500000099
方向应力分量；
Figure BDA00034052835000000910
为用于等效单元应力分量
Figure BDA00034052835000000911
获取的单元k的
Figure BDA00034052835000000912
方向应力分量；
步骤6：若在监测点pq位置布置了单向传感器，已获得的等效单元应力
Figure BDA00034052835000000913
即为用于船体结构屈服强度评估的等效应力；
若在监测点pq位置布置了三向传感器，则在获得了等效单元应力分量
Figure BDA00034052835000000914
Figure BDA00034052835000000915
后，采用应力合成公式计算得到用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力
Figure BDA00034052835000000916
Figure BDA00034052835000000917
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 (1)

1.一种基于传感器数据的船体结构屈服强度评估应力获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取待监测结构；考虑船体结构屈服强度评估所要求的范围b×b，记为等效单元；以监测点pq为起始点，由传感器的监测范围a×a对待监测结构进行离散处理，得到待监测结构的离散模型，并将以监测点pq为共用节点的各等效单元的尺寸范围确定为研究范围；其中，a＜b；
步骤2：对待监测结构的离散模型施加特定形式外部载荷Fs的单位载荷Fs0，获得研究范围内全部单元的应力数据
Figure FDA0003405283490000011
并在以监测点pq为共用节点的r个单元中选择某个单元作为基准单元，记其应力数据为
Figure FDA0003405283490000012
步骤3：结合已获得的研究范围内全部单元的应力数据
Figure FDA0003405283490000013
计算得到单元间的应力关系系数
Figure FDA0003405283490000014
Figure FDA0003405283490000015
步骤4：根据与特定形式外部载荷Fs对应的监测点pq位置的应力数据
Figure FDA0003405283490000016
获取基准单元的应力数据
Figure FDA0003405283490000017
结合单元间的应力关系系数
Figure FDA0003405283490000018
计算得到研究范围内全部单元的应力数据
Figure FDA0003405283490000019
Figure FDA00034052834900000110
Figure FDA00034052834900000111
其中，
Figure FDA00034052834900000112
为与特定形式外部载荷Fs对应的以监测点为共用节点的第m个单元间的应力关系系数，
Figure FDA00034052834900000113
步骤5：若在监测点pq位置布置了单向传感器，则按下式计算用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力
Figure FDA00034052834900000114
Figure FDA00034052834900000115
其中，η为以监测点pq为共用节点的等效单元的数量；σk-V(Fs)为用于等效单元应力
Figure FDA0003405283490000021
获取的单元k的应力；Ak为单元k的面积；l为用于等效单元应力
Figure FDA0003405283490000022
获取的单元总数；
若在监测点pq位置布置了三向传感器，则按下式计算用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力分量
Figure FDA0003405283490000023
Figure FDA0003405283490000024
其中，
Figure FDA0003405283490000025
为用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力的
Figure FDA0003405283490000026
方向应力分量；
Figure FDA0003405283490000027
为用于等效单元应力分量
Figure FDA0003405283490000028
获取的单元k的
Figure FDA0003405283490000029
方向应力分量；
步骤6：若在监测点pq位置布置了单向传感器，已获得的等效单元应力
Figure FDA00034052834900000210
即为用于船体结构屈服强度评估的等效应力；
若在监测点pq位置布置了三向传感器，则在获得了等效单元应力分量
Figure FDA00034052834900000211
Figure FDA00034052834900000212
后，采用应力合成公式计算得到用于船体结构屈服强度评估的等效单元应力
Figure FDA00034052834900000213
Figure FDA00034052834900000214
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