CN117818838A - 船体运动测量方法及运用其的船体特征规律检测系统 - Google Patents

Abstract

一种船体运动测量方法及运用其的船体特征规律检测系统，包括：在船体上安装第一到第五加速度传感器，第一、二、三加速度传感器位于船体中纵剖面上，第二加速度传感器位于船体重心，第一、三加速度传感器分别位于船体的船首和船尾，第四、五加速度传感器位于船体同一横剖面且关于船体中纵剖面对称；将第一到第五加速度传感器均与信号采集系统连接，信号采集系统与处理系统连接；船体航行时第一到第五加速度传感器实时输出加速度信号并由信号采集系统实时采集，处理系统处理加速度信号后获得船体的升沉、纵摇和横摇运动，实现船体运动与波浪载荷、压力等通过同一信号采集系统进行同步采集，可对船体参数内在对应关系的特征规律开展更加深入的研究。

Description

船体运动测量方法及运用其的船体特征规律检测系统

技术领域

本发明涉及船体试验技术领域，尤其是一种船体运动测量方法及运用其的船体特征规律检测系统。

背景技术

船体在波浪中航行，会发生垂荡、纵摇、横摇运动，同时承受一定的波浪载荷，包括弯矩、扭矩、剪力等整体载荷和砰击压力、上浪压力等局部载荷，对船体运动和承受载荷进行合理预报，确保船舶在恶劣海况下安全航行具有重要的意义。

为了对船体运动和承受的波浪载荷进行研究，研究人员对各型船舶开展了大量的试验与理论研究。在耐波性水池中开展船模试验是研究船体运动和波浪载荷的最为可靠的手段。

目前，对于自航模试验，主要是通过陀螺或光学测量系统对船体运动进行测量，通过粘贴在船体测量梁上的应变传感器对船体整体波浪载荷进行测量，通过压力传感器对砰击压力和上浪压力进行测量，通过加速度传感器对船体运动加速度进行测量，通过浪高仪对浪高进行测量，其中应变传感器、压力传感器、加速度传感器、浪高仪的输出均为模拟信号，应变传感器、压力传感器、加速度传感器、浪高仪等仪器均可与动态应变仪相连进行测量，各种模拟信号即波浪载荷、压力、加速度、浪高可实现同步采集，

模型试验中采用陀螺仪和光学测量设备对船体运动进行测量，由于其输出为数字信号，动态应变仪不能与陀螺仪和光学测量设备进行连接并对其输出的数字信号进行采集，无法对船体运动、波浪载荷、砰击和上浪压力之间的对应关系进行深入研究，也在一定程度上制约着船体模型试验技术的发展。

发明内容

本申请人针对上述现有试验技术中的缺点与不足，提供一种船体运动测量方法及运用其的船体特征规律检测系统，从而通过将船体上多个加速度传感器所测量的信号整合到处理系统，得到船体运动，该方法可以实现船体运动与波浪载荷、压力等通过同一信号采集系统进行同步采集，实现对船体运动、波浪载荷、外部压力等船体参数内在对应关系的特征规律开展更加深入的研究。

本发明所采用的技术方案如下：

一种船体运动测量方法，包括以下步骤：

安装传感器：

在所述船体上安装第一加速度传感器、第二加速度传感器、第三加速度传感器、第四加速度传感器和第五加速度传感器，所述第一加速度传感器、第二加速度传感器和第三加速度传感器位于所述船体的中纵剖面上，且所述第二加速度传感器位于所述船体的重心，所述第一加速度传感器和第三加速度传感器分别位于所述船体的船首和船尾，

所述第四加速度传感器和第五加速度传感器位于所述船体的同一横剖面且关于所述船体的中纵剖面对称；

系统连接：

将所述第一加速度传感器、第二加速度传感器、第三加速度传感器、第四加速度传感器和第五加速度传感器均与信号采集系统连接，将信号采集系统与处理系统连接，并进行调试；

船体运动测量：

在波浪中航行所述船体，所述第一加速度传感器、第二加速度传感器、第三加速度传感器、第四加速度传感器和第五加速度传感器分别实时输出第一加速度信号、第二加速度信号、第三加速度信号、第四加速度信号和第五加速度信号并由信号采集系统实时采集，处理系统将加速度信号处理后获得船体的升沉、纵摇和横摇运动。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第一加速度传感器、第二加速度传感器、第三加速度传感器、第四加速度传感器和第五加速度传感器所在位置的船体升沉运动依次表达为：

公式(一)-(五)中，Heave为船体的升沉运动，t代表时间。

船体的纵摇运动表达为：

Pitch(t)＝(Heave₃(t)-Heave₁(t))/l₁ (六)

公式(六)中，Pitch为船体纵摇运动，t代表时间，l₁为第一加速度传感器和第三加速度传感器之间的纵向距离。

船体的横摇运动表达为：

Roll(t)＝(Heave₄(t)-Heave₅(t))/l₂ (七)

公式(七)中，Roll为船体横摇运动，t代表时间，l₂为第四加速度传感器和第五加速度传感器之间的横向距离。

所述第一加速度信号a₁(t)、第二加速度信号a₂(t)、第三加速度信号a₃(t)、第四加速度信号a₄(t)和第五加速度信号a₅(t)均为模拟信号。

所述信号采集系统为动态应变仪。

所述波浪为规则波时：

Heave_i(t)＝a_i(t)/ω_e ² (八)

公式(八)中，i＝(1，2，3，4，5)，ω_e为波浪遭遇频率。

一种船体特征规律检测系统，

所述检测系统包括安装于所述船体的船体参数检测传感器组以及所述第一加速度传感器、第二加速度传感器、第三加速度传感器、第四加速度传感器和第五加速度传感器，所述船体参数检测传感器组与所述信号采集系统连接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述船体参数检测传感器组包括应变传感器、压力传感器、船体运动加速度传感器、浪高仪。

所述船体的船体参数检测传感器组输出的信号为模拟信号。

本发明的有益效果如下：

本发明通过将船体上多个加速度传感器所测量的信号整合到处理系统，得到船体运动，该方法可以实现船体运动与波浪载荷、压力等船体参数通过同一信号采集系统进行同步采集，实现对船体运动、波浪载荷、外部压力等船体参数内在对应关系的特征规律开展更加深入的研究。

本发明的船体特征规律检测系统包括测量船体运动的多个加速度传感器和测量其它船体参数的传感器，所有传感器所测量的信号由同一个信号采集系统采集，由同一个处理系统同步处理，实现船体运动和其他船体参数内在对应关系的特征规律的深入研究，为船体模型试验技术的发展提供技术支持。

附图说明

图1为本发明船体的结构示意图。

图2为本发明船体的结构示意图(三体船)。

图3为三体船试验典型工况下通过陀螺仪直接测量获得的船体升沉运动和通过加速度传感器测量后积分获得的船体升沉运动。

图4为三体船试验典型工况下通过陀螺仪直接测量获得的船体纵摇运动和通过加速度传感器测量后积分获得的船体纵摇运动。

图5为三体船试验典型工况下通过陀螺仪直接测量获得的船体横摇运动和通过加速度传感器测量后积分获得的船体横摇运动。

其中：1、第一加速度传感器；2、第二加速度传感器；3、第三加速度传感器；4、第四加速度传感器；5、第五加速度传感器。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

现有技术中通常采用陀螺仪或其他光学测量设备进行船体运动的测量，而该类传感器具有独立的采集测量系统，该采集测量系统会将电压和电流信号转换成运动信号并以数字信号的形式进行输出，一般配备专门的采集设备和软件。

开展波浪载荷试验，船体运动只是其中的一部分研究内容，还要开展弯矩、扭矩、剪力、砰击压力等参数的测量，如通过粘贴在船体测量梁上的应变传感器对船体整体波浪载荷进行测量，通过压力传感器对砰击压力和上浪压力进行测量，通过加速度传感器对船体运动加速度进行测量，通过浪高仪对浪高进行测量，其中应变传感器、压力传感器、加速度传感器、浪高仪的输出信号均为模拟信号，可以采用同一个信号采集系统采集。

为了对船体运动及载荷特征规律进行更深一步的研究，需要将船体运动信号和其他参数信号集成到同一个采集系统中进行同步采集，因此需要将陀螺仪和光学测量系统与动态应变仪进行有效集成，以实现运动、波浪载荷、砰击压力等信号的同步采集。

但是为了实现上述目的，需要陀螺仪厂家开放内部接口并进行二次开发才可能与动态应变仪进行连接，但该方法的稳定性与可靠程度均较低，因此需要开发一种新型的船体运动测量方法，以实现船体运动、波浪载荷、砰击压力、上浪压力等船体参数的同步测量，具体实施方式详细介绍如下。

实施例一：

本实施例的船体运动测量方法，包括以下步骤：

安装传感器：

在船体上安装第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4和第五加速度传感器5，第一加速度传感器1、第二加速度传感器2和第三加速度传感器3位于船体的中纵剖面上，且第二加速度传感器2位于船体的重心，第一加速度传感器1和第三加速度传感器3分别位于船体的船首和船尾，第四加速度传感器4和第五加速度传感器5位于船体的同一横剖面且关于船体的中纵剖面对称。

具体的，船体可以为实船，也可以为自航模，包括常规船体和三体船，如图1和图2所示，对于常规船体第四加速度传感器4和第五加速度传感器5可以分别位于船体的左右舷，对于三体船第四加速度传感器4和第五加速度传感器5可以分别位于左右片体。

系统连接：

将第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4和第五加速度传感器5均与信号采集系统连接，将信号采集系统与处理系统连接，并进行调试；

船体运动测量：

在波浪中航行船体，第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4和第五加速度传感器5分别实时输出第一加速度信号a₁(t)、第二加速度信号a₂(t)、第三加速度信号a₃(t)、第四加速度信号a₄(t)和第五加速度信号a₅(t)并由信号采集系统实时采集，处理系统将加速度信号处理后获得船体的升沉、纵摇和横摇运动。

对于船模来说，在耐波性水池的波浪中航行。

具体的，第一加速度信号a₁(t)、第二加速度信号a₂(t)、第三加速度信号a₃(t)、第四加速度信号a₄(t)和第五加速度信号a₅(t)均为模拟信号，信号采集系统为动态应变仪。

通过将船体上多个加速度传感器所测量的信号整合到处理系统，得到船体运动，该方法可以实现船体运动与波浪载荷、压力等其他船体参数通过同一信号采集系统进行同步采集，实现对船体运动、波浪载荷、外部压力等船体参数内在对应关系的特征规律开展更加深入的研究。

处理系统将加速度信号处理后获得船体的升沉、纵摇和横摇运动的过程如下：

(Ⅰ)、第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4和第五加速度传感器5所在位置的船体升沉运动依次表达为：

公式(一)-(五)中，Heave为船体的升沉运动，t代表时间。

(Ⅱ)、船体的纵摇运动表达为：

Pitch(t)＝(Heave₃(t)-Heave₁(t))/l₁ (六)

公式(六)中，Pitch为船体纵摇运动，t代表时间，l₁为第一加速度传感器1和第三加速度传感器3之间的纵向距离。

(Ⅲ)、船体的横摇运动表达为：

Roll(t)＝(Heave₄(t)-Heave₅(t))/l₂ (七)

公式(七)中，Roll为船体横摇运动，t代表时间，l₂为第四加速度传感器4和第五加速度传感器5之间的横向距离。

以上公式(一)-(七)适用于所有形式的波浪，当波浪为规则波时，公式(一)-(五)可以简化为下式：

Heave_i(t)＝a_i(t)/ω_e ² (八)

公式(八)中，i＝(1，2，3，4，5)，ω_e为波浪遭遇频率。

为了验证本实施例的船体运动测量方法所测量的船体运动是否精准做了验证试验，即在船体上安装多个加速度传感器的同时，还在船体上还安装有陀螺仪，试验时两套系统均测量船体运动，测量结果如图3-图5所示。

由于陀螺仪测量船体运动比较成熟、精准，因此通过陀螺仪直接测量获得的船体运动结果可以作为检测标准。从如图3-图5可以看出两种测量结果是相吻合的，即采用多个加速度传感器测量后积分获得的船体运动结果也是比较精准的，验证了本实施例的船体运动测量方法的合理性。

实施例二：

本实施例的应用实施例一船体运动测量方法的船体特征规律检测系统，包括：

检测系统包括安装于所述船体的船体参数检测传感器组以及第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4和第五加速度传感器5，船体参数检测传感器组与信号采集系统连接。

船体参数检测传感器组包括应变传感器、压力传感器、船体运动加速度传感器、浪高仪。

船体的船体参数检测传感器组输出的信号为模拟信号。

具体的，船体参数检测传感器组和实施例一中用于测量船体运动的第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4和第五加速度传感器5连接同一个信号采集系统，即动态应变仪，信号采集系统所采集的所有信号均由同一个处理系统同步处理，最终获得所有船体参数的时历数据集；船体参数检测传感器组的具体工作方式为：通过粘贴在船体测量梁上的应变传感器对船体整体波浪载荷进行测量，通过压力传感器对砰击压力和上浪压力进行测量，通过加速度传感器对船体运动加速度进行测量，通过浪高仪对浪高进行测量，其中应变传感器、压力传感器、加速度传感器、浪高仪输出信号均为模拟信号，第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4和第五加速度传感器5输出加速度信号也为模拟信号。

本实施例的船体特征规律检测系统的使用和工作方法如下：

第一步、安装传感器：

在船体上安装第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4和第五加速度传感器5，在船体上安装船体参数检测传感器组。

第二步、系统连接：

将第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4和第五加速度传感器5以及船体参数检测传感器组均与信号采集系统连接，将信号采集系统与处理系统连接，并进行调试，信号采集系统即为动态应变仪；

第三步、船体参数测量：

在波浪中航行船体，第一加速度传感器1、第二加速度传感器2、第三加速度传感器3、第四加速度传感器4和第五加速度传感器5分别实时输出第一加速度信号a₁(t)、第二加速度信号a₂(t)、第三加速度信号a₃(t)、第四加速度信号a₄(t)和第五加速度信号a₅(t)均为模拟信号并由信号采集系统实时采集，处理系统将加速度信号处理后获得船体的升沉、纵摇和横摇运动，即船体运动的时历数据集；

应变传感器、压力传感器、加速度传感器、浪高仪均输出模拟信号并由信号采集系统实时采集，由数据处理系统处理分别得到船体整体波浪载荷、砰击压力和上浪压力、船体运动加速、浪高的时历数据集。

第四步、数据整理：

处理系统将获得的所有船体参数的时历数据集整理，研究船体参数之间的内特征规律。

本实施例的船体特征规律检测系统包括测量船体运动的多个加速度传感器和测量其它船体参数的传感器，所有传感器所测量的信号由同一个信号采集系统采集，由同一个处理系统同步处理，实现船体运动和其他船体参数内在对应关系的特征规律的深入研究，为船体模型试验技术的发展提供技术支持。

采用本实施例的检测系统，实现船体的升沉、纵摇和横摇运动均可通过加速度传感器进行测量，加速度传感器输出信号为模拟信号，可同应变传感器、压力传感器等传感器一起与动态应变仪相连进而开展船体运动与波浪载荷的测量，该方法可实现波浪载荷与船体运动的同步测量，为船体波浪载荷与运动的深入研究打下良好的基础。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种船体运动测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

安装传感器：

在所述船体上安装第一加速度传感器(1)、第二加速度传感器(2)、第三加速度传感器(3)、第四加速度传感器(4)和第五加速度传感器(5)，所述第一加速度传感器(1)、第二加速度传感器(2)和第三加速度传感器(3)位于所述船体的中纵剖面上，且所述第二加速度传感器(2)位于所述船体的重心，所述第一加速度传感器(1)和第三加速度传感器(3)分别位于所述船体的船首和船尾，

所述第四加速度传感器(4)和第五加速度传感器(5)位于所述船体的同一横剖面且关于所述船体的中纵剖面对称；

系统连接：

将所述第一加速度传感器(1)、第二加速度传感器(2)、第三加速度传感器(3)、第四加速度传感器(4)和第五加速度传感器(5)均与信号采集系统连接，将信号采集系统与处理系统连接，并进行调试；

船体运动测量：

在波浪中航行所述船体，所述第一加速度传感器(1)、第二加速度传感器(2)、第三加速度传感器(3)、第四加速度传感器(4)和第五加速度传感器(5)分别实时输出第一加速度信号a₁(t)、第二加速度信号a₂(t)、第三加速度信号a₃(t)、第四加速度信号a₄(t)和第五加速度信号a₅(t)并由信号采集系统实时采集，处理系统将加速度信号处理后获得船体的升沉、纵摇和横摇运动。

2.如权利要求1所述的船体运动测量方法，其特征在于：

所述第一加速度传感器(1)、第二加速度传感器(2)、第三加速度传感器(3)、第四加速度传感器(4)和第五加速度传感器(5)所在位置的船体升沉运动依次表达为：

公式(一)-(五)中，Heave为船体的升沉运动，t代表时间。

3.如权利要求2所述的船体运动测量方法，其特征在于：

船体的纵摇运动表达为：

Pitch(t)＝(Heave₃(t)-Heave₁(t))/l₁ (六)

公式(六)中，Pitch为船体纵摇运动，t代表时间，l₁为第一加速度传感器(1)和第三加速度传感器(3)之间的纵向距离。

4.如权利要求2所述的船体运动测量方法，其特征在于：

船体的横摇运动表达为：

Roll(t)＝(Heave₄(t)-Heave₅(t))/l₂ (七)

公式(七)中，Roll为船体横摇运动，t代表时间，l₂为第四加速度传感器(4)和第五加速度传感器(5)之间的横向距离。

5.如权利要求1所述的船体运动测量方法，其特征在于：所述第一加速度信号a₁(t)、第二加速度信号a₂(t)、第三加速度信号a₃(t)、第四加速度信号a₄(t)和第五加速度信号a₅(t)均为模拟信号。

6.如权利要求1所述的船体运动测量方法，其特征在于：所述信号采集系统为动态应变仪。

7.如权利要求2所述的船体运动测量方法，其特征在于：所述波浪为规则波时：

Heave_i(t)＝a_i(t)/ω_e ² (八)

公式(八)中，i＝(1，2，3，4，5)，ω_e为波浪遭遇频率。

8.一种应用如权利要求1所述的船体运动测量方法的船体特征规律检测系统，其特征在于：

所述检测系统包括安装于所述船体的船体参数检测传感器组以及所述第一加速度传感器(1)、第二加速度传感器(2)、第三加速度传感器(3)、第四加速度传感器(4)和第五加速度传感器(5)，所述船体参数检测传感器组与所述信号采集系统连接。

9.如权利要求8所述的船体特征规律检测系统，其特征在于：所述船体参数检测传感器组包括应变传感器、压力传感器、船体运动加速度传感器、浪高仪。

10.如权利要求8所述的船体特征规律检测系统，其特征在于：所述船体的船体参数检测传感器组输出的信号为模拟信号。