CN114199440A - 一种船舶加筋板结构应力监测数据的转换处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于船体结构应力监测技术领域，具体涉及一种船舶加筋板结构应力监测数据的转换处理方法。本发明通过采用有限元方法，得到船舶加筋板结构的离散模型中各节点与监测点间的应力关系系数，结合由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，采用由传感器数据获得加筋板结构整体节点应力的方法，即可实现对船舶加筋板结构各节点位置的应力数据的获取；结合由节点应力获得单元应力的简化方法、由节点应力获得单元应力的推导路线、加强材交叉位置的单元应力获取方法，最终获得船舶加筋板结构各单元的应力数据，进而保证了基于数字孪生模型开展的船舶加筋板结构特定强度实时评估工作的顺利进行。

Description

一种船舶加筋板结构应力监测数据的转换处理方法
技术领域
本发明属于船体结构应力监测技术领域，具体涉及一种船舶加筋板结构应力监测数据的转换处理方法。
背景技术
对于船舶加筋板结构，在对其进行某些结构强度的评估时，应是基于单元应力进行的；而在船体结构应力监测中，由传感器获得的应力数据对应于有限元方法中的节点应力；因此，若直接采用由传感器获得的应力数据来完成基于数字孪生模型的船舶加筋板结构对应强度的实时评估工作，就会给船舶的安全性造成影响，也不利于人员对加筋板结构真实应力状态的准确把握。同时，对于目前的船体结构应力监测，仅能获得结构在监测点位置的应力状态，而若想得到船舶加筋板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，但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。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结构的最危险位置，而这都将会给船舶的安全性带来很大的隐患。而若能由传感器获得的应力数据得到船舶加筋板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船舶加筋板结构应力监测数据的转换处理方法。
一种船舶加筋板结构应力监测数据的转换处理方法，包括以下步骤：
步骤1：结合传感器的监测范围，对船舶加筋板结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型；
步骤2：对船舶加筋板结构施加外部载荷Fs的单位载荷Fs0，获取船舶加筋板结构中各监测点位置的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000011
获取船舶加筋板结构离散模型中各节点的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000012
各单元的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000013
步骤3：由已获得的各节点的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000014
计算得到船舶加筋板结构各节点与监测点间的应力关系系数
Figure BDA0003405284970000015
Figure BDA0003405284970000021
步骤4：计算与外部载荷Fs对应的船舶加筋板结构的整体节点应力数据
Figure BDA0003405284970000028
Figure BDA0003405284970000029
步骤5：确定船舶加筋板结构加强材交叉位置的研究范围，并选定该研究范围外可首先获得应力数据的目标单元w，由已获得的各单元的单位应力数据
Figure BDA00034052849700000210
得到该研究范围内各单元的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000022
该研究范围外目标单元w的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000023
步骤6：由已获得的研究范围内各单元的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000024
筛选其中应力数据最大的单元，选定为最危险单元，记其应力数据为
Figure BDA0003405284970000025
计算得到研究范围内各单元与最危险单元间的应力关系系数
Figure BDA00034052849700000211
计算得到研究范围外的目标单元w与最危险单元间的应力关系系数
Figure BDA00034052849700000212
Figure BDA0003405284970000026
Figure BDA0003405284970000027
步骤7：结合已获得的船舶加筋板结构的整体节点应力数据
Figure BDA00034052849700000213
单元间的应力关系系数
Figure BDA00034052849700000214
和
Figure BDA00034052849700000215
最终获得与外部载荷Fs对应的、与传感器监测范围相匹配的船舶加筋板结构的整体单元应力数据。
本发明的有益效果在于：
本发明能实现由监测点位置的应力数据获得船舶加筋板结构各节点位置的应力数据。通过采用有限元方法，得到船舶加筋板结构的离散模型中各节点与监测点间的应力关系系数；然后，结合由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，采用由传感器数据获得加筋板结构整体节点应力的方法，即可实现对船舶加筋板结构各节点位置的应力数据的获取；在获得了船舶加筋板结构各节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、由节点应力获得单元应力的推导路线、加强材交叉位置的单元应力获取方法，最终获得船舶加筋板结构各单元的应力数据，进而保证了基于数字孪生模型开展的船舶加筋板结构特定强度实时评估工作的顺利进行。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为船舶加筋板结构区域划分情况示意图。
图3为船舶加筋板结构由节点应力获得单元应力的整体推导路线示意图。
图4为区域I的详细推导路线示意图。
图5为划分区域I与区域II的加强材的详细推导路线示意图。
图6为区域II的详细推导路线示意图。
图7为划分区域II和区域III的加强材的详细推导路线示意图。
图8为区域III的详细推导路线示意图。
图9为加强材交叉位置研究范围的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
在对船舶加筋板结构进行强度评估时，有时是基于单元应力进行的；而在船体结构应力监测中，由传感器获得的应力数据对应于有限元方法中的节点应力，从而出于对船舶安全性的考虑，就无法直接采用由传感器获得的应力数据来完成基于数字孪生模型的船舶加筋板结构对应强度的实时评估。同时，对于目前的船体结构应力监测，仅能获得监测点位置的应力状态，而无法知晓船舶加筋板结构的整体应力状态。事实上，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结构的最危险位置，而这都将会给船舶的安全性带来很大的隐患。
基于此，本发明提出了一种船舶加筋板结构应力监测数据的转换处理方法，其具体流程见图1。该方法完成了由传感器获得的应力数据对船舶加筋板结构全部单元应力数据的获取，进而实现了对基于数字孪生模型开展的船舶加筋板结构特定强度的实时评估，同时也将船舶加筋板结构整体应力状态的获取变成了可能。
本发明结合传感器的监测范围，对船舶加筋板结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型。然后，对船舶加筋板结构施加某种形式外部载荷的单位载荷，由该离散模型获得船舶加筋板结构各节点与监测点间的应力关系系数；再结合由传感器获得的监测点位置的应力数据，得到船舶加筋板结构的整体节点应力数据。最后，结合由节点应力获得单元应力的简化方法、由节点应力获得单元应力的推导路线、加强材交叉位置的单元应力获取方法，最终获得与该种形式外部载荷对应的、与传感器监测范围相匹配的船舶加筋板结构各单元的应力数据。
首先，结合传感器的监测范围，对船舶加筋板结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型。其次，对船舶加筋板结构施加某种形式外部载荷的单位载荷，获得离散模型中各节点的单位应力数据、各单元的单位应力数据。然后，由已获得的各节点的单位应力数据，得到船舶加筋板结构各节点与监测点间的应力关系系数；进而，结合已获得的节点间的应力关系系数、与该种形式外部载荷对应的监测点位置的应力数据，得到与该种形式外部载荷对应的船舶加筋板结构的整体节点应力数据。之后，确定船舶加筋板结构加强材交叉位置的研究范围，并选定该研究范围外可首先获得应力数据的目标单元，由上述已获得的各单元的单位应力数据，得到该研究范围内各单元的单位应力数据、该研究范围外目标单元的单位应力数据。再后，由已获得的研究范围内各单元的单位应力数据，确定该研究范围内各单元中的最危险单元，并依次获得研究范围内各单元与最危险单元间的应力关系系数、研究范围外的目标单元与最危险单元间的应力关系系数。最后，结合由节点应力获得单元应力的简化方法、由节点应力获得单元应力的推导路线、加强材交叉位置的单元应力获取方法，最终获得与该种形式外部载荷对应的、与传感器监测范围相匹配的船舶加筋板结构的整体单元应力数据。
本发明的原理如下：
1)由传感器数据获得加筋板结构整体节点应力的方法
由传感器的监测范围，对船舶加筋板结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型。然后，对该离散模型施加某种形式外部载荷Fs的单位载荷Fs0，获得该离散模型中各节点pq的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000041
(
Figure BDA0003405284970000042
或
Figure BDA0003405284970000043
)。此时，对于船舶加筋板结构节点间的应力关系系数
Figure BDA0003405284970000044
可由公式(1)计算得到：
Figure BDA0003405284970000045
其中，
Figure BDA0003405284970000046
为与该种形式外部载荷Fs对应的监测点位置的单位应力数据。
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
Figure BDA0003405284970000048
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 BDA0003405284970000047
特别地，在由传感器获得了与该种形式外部载荷Fs对应的监测点位置的应力数据
Figure BDA0003405284970000049
后，船舶加筋板结构各位置的节点应力数据可由公式(2)计算得到。
Figure BDA0003405284970000057
2)由节点应力获得单元应力的简化方法
在基于数字孪生模型对船舶加筋板结构强度进行实时评估时，有时是基于单元应力进行的，此时就无法直接采用由传感器获得的应力数据。因此，本发明给出了由节点应力获得单元应力的简化方法，具体如下：
对于以节点pq为共用节点的r(r＝1，2，…，m)个单元，当m＝1时，有：
Figure BDA0003405284970000058
其中，
Figure BDA0003405284970000059
为以节点pq为共用节点的单元ij的应力数据。
当m≥2时，在获得了以节点pq为共用节点的前(m-1)个单元的应力数据后，第m个单元的应力数据
Figure BDA0003405284970000051
的可由公式(4)计算得到：
Figure BDA0003405284970000052
特别地，若以节点pq为共用节点的各单元的形状、大小不同，则对于第m个单元的应力数据
Figure BDA0003405284970000053
也可由公式(5)计算得到：
Figure BDA0003405284970000054
特别地，对于离散模型为二维模型的情况，有：
Figure BDA0003405284970000055
其中，Ar为以等效节点pq为共用节点的第r个单元的面积。
对于离散模型为三维模型的情况，有：
Figure BDA0003405284970000056
其中，Ωr为以等效节点pq为共用节点的第r个等效单元的体积。
3)由节点应力获得单元应力的推导路线
首先，由横向加强材L-x、纵向加强材L-y对加筋板结构进行区域划分，具体见图2。其中，规定：区域I为由加筋板边界(两相邻边)、横向加强材L-x、纵向加强材L-y划分得到的区域；区域II为由加筋板边界(仅包含一边)、横向加强材L-x、纵向加强材L-y划分得到的区域；区域III为全部由横向加强材L-x和纵向加强材L-y划分得到的区域。
特别地，船舶加筋板结构由节点应力获得单元应力的整体推导路线，见图3。而更为具体地，以加强材选择角钢的型式为例，对于船舶加筋板结构各组成部分，由节点应力获得单元应力的详细推导路线如下：
A.对于区域I，其详细的推导路线为：①′-1→①′-2→…→①′-15→①′-16，见图4。
B.对于划分区域I与区域II的加强材L-x(I→IIx)或L-y(I→IIy)，其详细的推导路线为：(①→②)-1→(①→②)-2→(①→②)-3→…，见图5。
C.对于区域IIx，其详细的推导路线为：(IIx-③″)-1→(IIx-③″)-2→…→(IIx-③″)-10，见图6(a)；对于区域IIy，其详细的推导路线为：(Hy-③″)-1→(IIy-③″)-2→…→(IIy-③″)-16，见图6(b)。
D.对于划分区域II和区域III的横向加强材L-x(IIy→III)，其详细的推导路线为：(①→②)-1→(①→②)-2→…→(①→②)-15，见图7(a)；对于划分区域II和区域III的纵向加强材L-y(IIx→III)，其详细的推导路线为：①-1→①-2→…①-16→②-0→②-1→②-2→…→②-15，见图7(b)。
E.对于区域III，其推导路线为：(III-④″)-1→(III-④″)-2→…→(III-④″)-9，见图8。
4)加强材交叉位置的单元应力获取方法
对于船舶加筋板结构横向加强材L-x与纵向加强材L-y的交叉位置，会存在这样的问题：当由节点应力获得单元应力的推导路线到达该位置时，由已推导出的以节点pq为共用节点的k(k＜m-1)个单元的应力数据，我们无法通过相关计算公式获得以节点pq为共用节点的其它m-k(m-k≥2)个单元的应力数据，而只能获得这(m-k)个单元的应力数据和值。因此，这就造成了由节点应力获得单元应力的推导路线在该处无法再继续进行下去的问题。针对该问题，本发明提出了这样的方法：
首先，确定无法通过相关计算公式获得应力数据的各单元，进而给出加强材交叉位置的研究范围，具体见图9。然后，结合已获得的与某种形式外部载荷Fs的单位载荷Fs0对应的各单元的单位应力数据，得到该研究范围内各单元的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000071
并筛选其中应力数据最大的单元，选定最危险单元，记其应力数据为
Figure BDA0003405284970000072
之后，由公式(6)计算得到该研究范围内各单元与最危险单元间的应力关系系数
Figure BDA00034052849700000714
Figure BDA0003405284970000073
同样地，结合已获得的与某种形式外部载荷Fs的单位载荷Fs0对应的各单元的单位应力数据，选定在上述研究范围外，可以首先获得应力数据的目标单元w，记其单位应力数据为
Figure BDA0003405284970000074
进而，由公式(7)可计算得到该目标单元w与上述研究范围内最危险单元间的应力关系系数。
Figure BDA0003405284970000075
由此，若在该种形式外部载荷Fs的作用下，当已首先获得了单元w的应力数据
Figure BDA0003405284970000076
后，可先由公式(8)计算得到上述研究范围内最危险单元的应力数据；然后，再由公式(9)可计算得到上述研究范围内各单元的应力数据。
Figure BDA0003405284970000077
Figure BDA0003405284970000078
本发明的具体方法如下：
1)结合传感器的监测范围，对船舶加筋板结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型。
2)对船舶加筋板结构施加某种形式外部载荷Fs的单位载荷Fs0，获得其离散模型中各节点的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000079
各单元的单位应力数据
Figure BDA00034052849700000710
3)由已获得的各节点的单位应力数据
Figure BDA00034052849700000711
根据公式(1)计算得到船舶加筋板结构各节点与监测点间的应力关系系数
Figure BDA00034052849700000712
4)结合已获得的节点间的应力关系系数
Figure BDA00034052849700000713
与该种形式外部载荷Fs对应的监测点位置的应力数据
Figure BDA0003405284970000082
由公式(2)计算得到与该种形式外部载荷对应的船舶加筋板结构的整体节点应力数据。
5)确定船舶加筋板结构加强材交叉位置的研究范围，并选定该研究范围外可首先获得应力数据的目标单元w，由上述已获得的各单元的单位应力数据，得到该研究范围内各单元的单位应力数据、该研究范围外目标单元w的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000081
6)由已获得的研究范围内各单元的单位应力数据，确定该研究范围内各单元中的最危险单元，并由公式(6)计算得到该研究范围内各单元与最危险单元间的应力关系系数
Figure BDA0003405284970000083
由公式(7)计算得到该研究范围外的目标单元w与最危险单元间的应力关系系数
Figure BDA0003405284970000084
7)结合由节点应力获得单元应力的简化方法、由节点应力获得单元应力的推导路线、加强材交叉位置的单元应力获取方法，最终获得与该种形式外部载荷对应的、与传感器监测范围相匹配的船舶加筋板结构的整体单元应力数据。
本发明给出了一种船舶加筋板结构应力监测数据的转换处理方法，通过由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，完成了对船舶加筋板结构的全部单元应力数据的获取，实现了对基于数字孪生模型开展的船舶加筋板结构特定强度的实时评估，同时也实现了对船舶加筋板结构整体应力状态的获取。其具体特点如下：
1)该方法能实现由监测点位置的应力数据获得船舶加筋板结构各节点位置的应力数据。通过采用有限元方法，得到船舶加筋板结构的离散模型中各节点与监测点间的应力关系系数；然后，结合由布置在监测点位置的传感器获得的应力数据，采用由传感器数据获得加筋板结构整体节点应力的方法，即可实现对船舶加筋板结构各节点位置的应力数据的获取。
2)该方法能实现由船舶加筋板结构的节点应力获得单元应力的目标。在获得了船舶加筋板结构各节点位置的应力数据后，可结合由节点应力获得单元应力的简化方法、由节点应力获得单元应力的推导路线、加强材交叉位置的单元应力获取方法，最终获得船舶加筋板结构各单元的应力数据，进而保证了基于数字孪生模型开展的船舶加筋板结构特定强度实时评估工作的顺利进行。
3)该方法能实现对船舶加筋板结构整体应力状态的获取。根据与某种形式外部载荷对应的、与传感器监测范围相匹配的船舶加筋板结构各单元的应力数据，可直观地掌握船舶加筋板结构的整体应力状态。进一步地，若传感器的监测范围与船舶加筋板结构特定强度评估所要求的范围存在差异，则可对与传感器监测范围相匹配的单元应力进行相应的处理，以便对船舶加筋板结构真实的应力状态进行准确地把握。
进一步限定，对于船舶加筋板结构由节点应力获得单元应力的推导路线，应以船舶加筋板结构的区域I为起始点，遵循以相邻区域间开展的原则，逐步地推导出船舶加筋板结构各区域中全部单元的应力数据。
进一步限定，当船舶加筋板结构由节点应力获得单元应力的推导路线到达加强材交叉位置时，对于无法通过由节点应力获得单元应力的简化方法的计算得到应力数据的各单元，将其组成加强材交叉位置的研究范围。
进一步限定，对于加强材交叉位置研究范围内最危险单元的选取，应通过由船舶加筋板结构离散模型获得的、与某种形式外部载荷对应的各单元单位应力数据进行，且应选择在研究范围内单位应力数据最大的单元，作为该研究范围内的最危险单元。
进一步限定，对于加强材交叉位置研究范围外目标单元的选取，应通过由船舶加筋板结构离散模型获得的、与某种形式外部载荷对应的各单元单位应力数据进行，选择由节点应力获得单元应力的推导路线可首先获得的、在加强材交叉位置研究范围外的单元。
进一步限定，对于加强材交叉位置的研究范围、研究范围外目标单元的选取，与船舶加筋板结构所遭受的外部载荷形式无关；但对加强材交叉位置研究范围内最危险单元的选取，其是与加筋板结构所遭受的外部载荷形式有关的。
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 BDA0003405284970000091
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
Figure BDA0003405284970000092
实施例1：
一种船舶加筋板结构应力监测数据的转换处理方法，包括以下步骤：
步骤1：结合传感器的监测范围，对船舶加筋板结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型；
步骤2：对船舶加筋板结构施加外部载荷Fs的单位载荷Fs0，获取船舶加筋板结构中各监测点位置的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000097
获取船舶加筋板结构离散模型中各节点的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000093
各单元的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000094
步骤3：由已获得的各节点的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000095
计算得到船舶加筋板结构各节点与监测点间的应力关系系数
Figure BDA0003405284970000096
Figure BDA0003405284970000101
步骤4：计算与外部载荷Fs对应的船舶加筋板结构的整体节点应力数据
Figure BDA0003405284970000108
Figure BDA0003405284970000109
步骤5：确定船舶加筋板结构加强材交叉位置的研究范围，并选定该研究范围外可首先获得应力数据的目标单元w，由已获得的各单元的单位应力数据
Figure BDA00034052849700001010
得到该研究范围内各单元的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000102
该研究范围外目标单元w的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000103
步骤6：由已获得的研究范围内各单元的单位应力数据
Figure BDA0003405284970000104
筛选其中应力数据最大的单元，选定为最危险单元，记其应力数据为
Figure BDA0003405284970000105
计算得到研究范围内各单元与最危险单元间的应力关系系数
Figure BDA00034052849700001011
计算得到研究范围外的目标单元w与最危险单元间的应力关系系数
Figure BDA00034052849700001012
Figure BDA0003405284970000106
Figure BDA0003405284970000107
步骤7：结合已获得的船舶加筋板结构的整体节点应力数据
Figure BDA00034052849700001013
单元间的应力关系系数
Figure BDA00034052849700001014
和
Figure BDA00034052849700001015
最终获得与外部载荷Fs对应的、与传感器监测范围相匹配的船舶加筋板结构的整体单元应力数据。
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)

1.一种船舶加筋板结构应力监测数据的转换处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：结合传感器的监测范围，对船舶加筋板结构进行离散处理，得到以传感器监测范围为单元尺寸的离散模型；
步骤2：对船舶加筋板结构施加外部载荷Fs的单位载荷Fs0，获取船舶加筋板结构中各监测点位置的单位应力数据
Figure FDA0003405284960000011
获取船舶加筋板结构离散模型中各节点的单位应力数据
Figure FDA0003405284960000012
各单元的单位应力数据
Figure FDA0003405284960000013
步骤3：由已获得的各节点的单位应力数据
Figure FDA0003405284960000014
计算得到船舶加筋板结构各节点与监测点间的应力关系系数
Figure FDA0003405284960000015
Figure FDA0003405284960000016
步骤4：计算与外部载荷Fs对应的船舶加筋板结构的整体节点应力数据
Figure FDA0003405284960000017
Figure FDA0003405284960000018
步骤5：确定船舶加筋板结构加强材交叉位置的研究范围，并选定该研究范围外可首先获得应力数据的目标单元w，由已获得的各单元的单位应力数据
Figure FDA0003405284960000019
得到该研究范围内各单元的单位应力数据
Figure FDA00034052849600000110
该研究范围外目标单元w的单位应力数据
Figure FDA00034052849600000111
步骤6：由已获得的研究范围内各单元的单位应力数据
Figure FDA00034052849600000112
筛选其中应力数据最大的单元，选定为最危险单元，记其应力数据为
Figure FDA00034052849600000113
计算得到研究范围内各单元与最危险单元间的应力关系系数
Figure FDA00034052849600000114
计算得到研究范围外的目标单元w与最危险单元间的应力关系系数
Figure FDA00034052849600000115
Figure FDA00034052849600000116
Figure FDA00034052849600000117
步骤7：结合已获得的船舶加筋板结构的整体节点应力数据
Figure FDA00034052849600000118
单元间的应力关系系数
Figure FDA00034052849600000119
和
Figure FDA00034052849600000120
最终获得与外部载荷Fs对应的、与传感器监测范围相匹配的船舶加筋板结构的整体单元应力数据。
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