梁永康 段仲兵

摘? ? 要：隨著2015年CCS規(guī)范推出了船舶總體變形監(jiān)測(cè)的船舶入級(jí)符號(hào)，以及大型半潛船、散貨船、油船、集裝箱船的船東對(duì)船舶變形監(jiān)測(cè)的高度關(guān)注，越來(lái)越多貨船安裝船舶總體變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為船舶裝載、航行安全需要，一套能夠不受海上波浪影響，準(zhǔn)確反映船舶變形并記錄船舶變形和交變變形的裝置非常重要。本文對(duì)船舶傳統(tǒng)變形測(cè)量系統(tǒng)分析，提出利用液體靜壓強(qiáng)帕斯卡定律設(shè)計(jì)船舶彈性變形監(jiān)測(cè)管網(wǎng)，解決船舶波浪干擾下獲得準(zhǔn)確的船體變形問(wèn)題，為設(shè)計(jì)船舶總體變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：船舶總體變形;變形監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U663.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： With the introduction of ship classification symbol of ship overall deformation monitoring in CCS code in 2015， as well as the high concern of shipowners of large semi-submersible ships， bulk carriers， oil tankers and container ships to ship deformation monitoring， more and more cargo ships install ship overall deformation monitoring system. In order to meet the needs of ship loading and navigation safety， it is very important to accurately reflect ship deformation and record ship deformation and cross deformation without being affected by sea waves. Based on the analysis of the traditional deformation measurement system of ships， this paper puts forward the design of ship elastic deformation monitoring pipe network by using the law of hydrostatic pressure Pascal， so as to solve the problem of obtaining accurate ship deformation under wave interference， and to provide a reference for the design of ship overall deformation monitoring system.

Key words： overall deformation of ships; deformation monitoring

1? ? 引言

船舶航行時(shí)會(huì)承受各種力的作用，其中隨機(jī)波浪力沖擊船體引起船舶縱向彎曲、前后扭曲，向船舶中部施加隨機(jī)的波浪彎矩，在船體甲板面、底部外板邊沿產(chǎn)生由交變應(yīng)力引起的疲勞裂紋，雖然結(jié)構(gòu)總體功能沒(méi)有立即喪失，卻留下隱患。有些船舶遇惡劣天氣的長(zhǎng)波浪沖擊，又或裝卸不當(dāng)，使船舶承受過(guò)大的總縱變曲力矩，致局部構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形，周邊構(gòu)件連鎖反應(yīng)，致船舶在海上斷裂。因此防止船舶斷裂需了解船舶所受的總縱彎矩、交變彎矩及其發(fā)生次數(shù)。國(guó)內(nèi)船舶上測(cè)量船舶載荷的設(shè)施，按CCS船級(jí)社要求是船體外板上標(biāo)注的吃水水尺，現(xiàn)在海上船舶一般配有吃水傳感器，可以在船上工作站反映出首舯尾的吃水情況，可以得知船舶載荷情況及船體彎曲情況。但海上波浪較大時(shí)，吃水傳感器讀數(shù)受船外升沉波浪影響，并不能準(zhǔn)確反映船舶載荷變化和船體變形情況。因此，一套能夠不受海上波浪影響，準(zhǔn)確反映船舶變形并記錄船舶變形和交變形的裝置非常重要。另外，在2015年CCS規(guī)范推出了船舶總體變形監(jiān)測(cè)的船舶入級(jí)符號(hào)，將來(lái)的貨運(yùn)船舶，如半潛船、散貨船、油船、集裝箱船安裝變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是大勢(shì)所趨。

2? ?常規(guī)貨船變形測(cè)量系統(tǒng)

常規(guī)貨船均安裝有船舶四角吃水傳感器和首舯尾吃水水尺，在裝載貨物或在航行過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)船舶吃水刻度或吃水傳感器計(jì)算船舶的吃水情況，從而推斷船舶是否變形、裝載是否合理;但在船舶航行過(guò)程中，通過(guò)船舶吃水計(jì)算船舶變形就很不準(zhǔn)確，因?yàn)槌运畟鞲衅鲿?huì)受到船舶航行過(guò)程中產(chǎn)生的船舶底部海水壓力場(chǎng)或海面波浪的影響，吃水傳感器數(shù)值不斷變化，并不能準(zhǔn)確反映船舶吃水。

3? ?船舶彈性變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

有感于常規(guī)貨船以四角吃水或水尺計(jì)算船舶變形的不足，研究開(kāi)發(fā)船舶變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);運(yùn)用流體靜壓強(qiáng)帕斯卡定律，設(shè)計(jì)一套呈現(xiàn)魚(yú)骨狀的密閉管網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量船舶變形，使測(cè)量方法不受海水波浪影響，實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度高，測(cè)量時(shí)效性強(qiáng)。并利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示船舶當(dāng)前姿態(tài)、變形情況、變形次數(shù)數(shù)據(jù)及最大變形值等等，通過(guò)與船舶有限元總縱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)比進(jìn)行航行船舶總縱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

4? ?船舶彈性變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原理

4.1? 船體撓度變形計(jì)算

船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，要承受各種外力，諸如重力、浮力、搖擺時(shí)的慣性力、水阻力及波浪的沖擊力等。根據(jù)船舶的裝載工況與在波浪中波峰與波谷的位置，取最不利的裝載工況為計(jì)算狀態(tài)，計(jì)算船舶總縱彎曲。

在分析船體強(qiáng)度時(shí)，通常將船體視作一變剖面的空心梁，只考慮沿其船長(zhǎng)方向，承受不均勻分布的重力與浮力，使船體產(chǎn)生總縱彎曲。船體總縱彎曲的彎曲撓度曲線(xiàn)：

（1）式中：v（x）為船體的撓度，I（x）為距船尾X處的船體縱向構(gòu)件的剖面慣性矩，E為船體材料彈性模量，M（x）為距船尾X處船體的彎矩值。

剪切撓度一般僅為彎曲撓度的10%左右，所以通常都不計(jì)算。

按照船體結(jié)構(gòu)構(gòu)建全船的總剛度矩陣， 以船體所受的重力與浮力構(gòu)建總外力矩陣，通過(guò)船體結(jié)構(gòu)有限元分析運(yùn)算，可模擬計(jì)算船體總縱強(qiáng)度內(nèi)船體受力各部份的節(jié)點(diǎn)位移值。船體結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣與全部節(jié)點(diǎn)位移和外力關(guān)系如下：

（2）上式可縮寫(xiě)為：

式中：K為總剛度矩陣，U為總位移矩陣，P為總外力矩陣。

通過(guò)上述兩種方法計(jì)算出船體的理論總縱彎曲，在實(shí)船上測(cè)出船體實(shí)際變形值，通過(guò)比較實(shí)際變形值與理論最大位移值，推測(cè)船體所受載荷是否在安全范圍之內(nèi);在測(cè)量船體變形值同時(shí)，記錄船體變形循環(huán)交變次數(shù)，通過(guò)比較船體變形次數(shù)與產(chǎn)生塑性位移交變次數(shù)，推測(cè)船體是否可能產(chǎn)生疲勞破壞。

4.2? 船舶變形測(cè)量

根據(jù)流體靜壓強(qiáng)帕斯卡定律，不可壓縮靜止液體中的任一點(diǎn)受外力產(chǎn)生壓力增量，只要不破壞流體的平衡，此壓力增量會(huì)大小不變地迅速傳遞到靜止流體各點(diǎn)，而且與壓強(qiáng)的大小和容器的形狀無(wú)關(guān)。液面下任意兩點(diǎn)壓強(qiáng)關(guān)系公式：

式中：Pa為液體內(nèi)a點(diǎn)的壓強(qiáng)，Pb為液體內(nèi)b點(diǎn)的壓強(qiáng) ，ρ為液體的容重，H為a點(diǎn)和b點(diǎn)在液面下的深度差。根據(jù)壓強(qiáng)差公式（3），設(shè)計(jì)若干長(zhǎng)度的內(nèi)部充滿(mǎn)液體的密閉管路，管路上布置若干只壓力傳感器，當(dāng)管路上下彎曲并帶動(dòng)管路上壓力傳感器上下移動(dòng)后，通過(guò)讀取傳感器的壓強(qiáng)數(shù)值，即可測(cè)出每相鄰傳感器之間的高度差。

4.3? 壓強(qiáng)傳遞速度的影響

在密閉容器內(nèi)液體受微弱擾動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生壓力的微小變化，并向四周傳播，這種微小的壓力波的傳播速度為聲速。

式中：C為聲速，B為流體的體積彈性模量，ρ為液體的密度;當(dāng)中a點(diǎn)與b點(diǎn)位置上下移位時(shí)，兩點(diǎn)的壓強(qiáng)因所受質(zhì)量力作用不斷變化，a點(diǎn)與b點(diǎn)位置變化的壓強(qiáng)以聲速傳遞，按式（4）計(jì)算出約為1 480 m/s的速度傳遞。

船舶搖動(dòng)帶動(dòng)密閉壓力管網(wǎng)及其傳感器搖動(dòng)，傳感器位置垂蕩距離取值為8 m，搖蕩周期為6～10 s，a和b點(diǎn)壓強(qiáng)變化率為4～1 mH2O/s，壓力信號(hào)傳遞速度為1480 m/s，傳感器a與b點(diǎn)水平距離取30 m，這時(shí)壓力傳感器捕捉到管網(wǎng)中壓強(qiáng)的滯后時(shí)間約0.02 s，滯后壓強(qiáng)約0.03 mH2O。

4.4? 傳感器精度

傳感器的最大測(cè)量范圍包括船舶最大縱遙、橫搖時(shí)兩端傳感器最大高差，船舶變形量一般為0～300 mm，一般量程范圍不超過(guò)10 m。為了準(zhǔn)確測(cè)出船舶總體的微變形尺寸，傳感器的滿(mǎn)量程精度為0.2%或更高，此時(shí)測(cè)量變形精度可求厘米級(jí)。

4.5? 信號(hào)采集頻率

大型船舶的搖蕩運(yùn)動(dòng)主要是由于波浪干擾引起，遠(yuǎn)洋船舶最常碰到的主要波長(zhǎng)60 m～100 m，此時(shí)一般船舶搖蕩周期6 s～12 s。根據(jù)耐奎斯特采樣理論，采樣頻率必須是信號(hào)最高頻率的兩倍以上，采集到的數(shù)據(jù)才可以有效地復(fù)現(xiàn)出原始的采集信號(hào)。為了保證采樣的精確性，采集器的采樣速率至少為船舶搖蕩周期的2倍。

在一個(gè)掃描周期內(nèi)，輸入采樣階段一過(guò)，輸入狀態(tài)的任何變化不被采樣。船舶縱搖周期，橫搖周期6～12 s，采集周期取值3 s。船搖過(guò)程中，傳感器數(shù)值不斷變化，信號(hào)掃描周期應(yīng)該盡量窄，設(shè)傳感器點(diǎn)上下?lián)u動(dòng)距離為8 m，周期為6 s，傳感器變化率為1.1 m/s，船舶變形可接受精度為10 mm，即傳感器掃描周期不應(yīng)大于1 m/s÷10 mm=0.01s。為確保采樣信號(hào)精度，各傳感器的取樣同步時(shí)間應(yīng)不大于0.005s。

4.6? 三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

大部份情況下船舶變形的同時(shí)伴隨有船舶微傾斜，這時(shí)測(cè)出的測(cè)量船舶變形數(shù)據(jù)應(yīng)將船舶傾斜的影響消除，才能反映出船舶形變的真實(shí)數(shù)據(jù)。因此需要將測(cè)量出的傳感器高度數(shù)據(jù)結(jié)合傳感器初始平面位置數(shù)據(jù)組成三維數(shù)據(jù)，通過(guò)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即模擬轉(zhuǎn)平船舶的過(guò)程，消除船舶傾斜的數(shù)據(jù)影響之后得出船舶變形的數(shù)據(jù)。

將船舶首尾縱向扶平，計(jì)算撓度轉(zhuǎn)角，繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角為：

將船舶的舯部橫向扶平，需計(jì)算扭度轉(zhuǎn)角，繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角為：

XYZ坐標(biāo)數(shù)組三維轉(zhuǎn)換公式：

式中：[xyz]為轉(zhuǎn)換的三維坐標(biāo)，[XYZ]為原始三維坐標(biāo)，T為變換矩陣。

4.7? 數(shù)值分析

經(jīng)三維坐標(biāo)變換后，對(duì)撓度傳感器的Z值分析，計(jì)算船舶撓度值;

取首、中、尾三處坐標(biāo)數(shù)組，以船中水平橫向?yàn)榛鶞?zhǔn)，計(jì)算船舶扭轉(zhuǎn)角;

得出的船舶撓度值、扭轉(zhuǎn)角，通過(guò)與空心梁理論及有限元方法計(jì)算出的船體最大撓度值和扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較，進(jìn)行船體變形損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;通過(guò)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)收集，得出船舶交變數(shù)據(jù)集，并進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)疲勞失效評(píng)估。

船舶縱彎曲可靠性評(píng)估：

在n個(gè)波浪彎矩紀(jì)錄中，船體梁總失效概率近似等于靜水中失效概率加上n倍的由于一個(gè)波浪彎矩紀(jì)錄中的失效概率：

式中：第一項(xiàng)為靜水彎矩的函數(shù)， 為標(biāo)準(zhǔn)差。為均值，為構(gòu)件折減系數(shù)，為總彎矩。

船體構(gòu)件疲勞分析：

S-N曲線(xiàn)采用英國(guó)能源部經(jīng)修正的非管節(jié)點(diǎn)的8根基本S-N曲線(xiàn)，適用于屈服強(qiáng)度小于400 N/mm2的鋼材，見(jiàn)圖2。

S-N每根曲線(xiàn)表示一類(lèi)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)所受的交變應(yīng)力范圍值S與疲勞損壞力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系。

5? ?船舶彈性變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1? 管系原理圖設(shè)計(jì)

采用上述方法，設(shè)計(jì)密閉壓差測(cè)量管網(wǎng)，由一路縱向布置的直管和六條橫向布置的支管組成密閉管網(wǎng)。

圖中：1-撓度傳感器，2-扭度傳感器，3-三通閥，4-截止閥，5-放氣閥，6-自動(dòng)補(bǔ)水閥

5.2? 船舶縱向撓度變形計(jì)算

圖3計(jì)算機(jī)將收到的各壓強(qiáng)信號(hào)，結(jié)合各傳感器在船上的初始平面位置，進(jìn)行船體變形計(jì)算。根據(jù)靜止液體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)與該點(diǎn)所處深度是線(xiàn)性關(guān)系，傳感器在船上所在縱向位置為XY坐標(biāo)系中的X值，設(shè)傳感器的壓強(qiáng)為XY坐標(biāo)系中的Y值。各撓度傳感器的（X、Y）值通過(guò)二維坐標(biāo)變換，得出坐標(biāo)系中首和尾撓度傳感器所連成的直線(xiàn)與X軸平行的一幅各傳感器的壓強(qiáng)分布圖;計(jì)算機(jī)按兩點(diǎn)壓強(qiáng)關(guān)系公式計(jì)算相鄰傳感器的高差，以首、尾傳感器為基準(zhǔn)標(biāo)注出其它傳感器Y方向的高度位置，繪出一幅各傳感器高差分布圖，如圖4，用樣條曲線(xiàn)將高度分布圖上各點(diǎn)相連，可得出船舶縱向撓度變形圖。

5.3? 船舶橫向扭曲變形計(jì)算

扭度傳感器設(shè)置首、舯、尾三組，每組扭度傳感器在船上左右舷對(duì)稱(chēng)布置，測(cè)量各扭度傳感器壓強(qiáng)，得出扭度傳感器壓強(qiáng)分布圖，通過(guò)二維坐標(biāo)變換，得出各組扭度傳感器兩點(diǎn)之間的壓強(qiáng)差;按兩點(diǎn)壓強(qiáng)關(guān)系公式計(jì)算扭度傳感器的高差，將坐標(biāo)系中的各組扭度傳感器以直線(xiàn)相連為尾，得出船舶橫向扭曲角，如圖5所示。

5.4? 船舶彈性變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

船舶彈性變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管系圖（圖3）的撓度傳感器1和扭度傳感器2采用壓電式壓力傳感器;主管路和支管路是連通的密閉管網(wǎng)，管網(wǎng)在船上水平安裝，管網(wǎng)的縱向主管路平行于船舶的基線(xiàn)，管網(wǎng)的支管路平行于船舶的肋位，管網(wǎng)在船上一般布置在縱向的主船體管遂或通道;管網(wǎng)內(nèi)充注淡水，充注淡水前應(yīng)除氣，為避免管路內(nèi)低溫凍結(jié)，淡水中加防凍和防腐劑。

布置在船上的監(jiān)測(cè)管網(wǎng)為更好的隨船舶變形，散貨船管網(wǎng)布置靠近船體的底部，主要方便在底部管遂布置管網(wǎng);散貨船和集裝船甲板面多為艙口圍，主甲板出現(xiàn)較多應(yīng)力集中、且變形最大的甲板，有條件時(shí)布置在甲板面下更好，以便更準(zhǔn)確測(cè)量最大變形值。

船舶下水前，需測(cè)量各變形傳感器的最終安裝位置，位置數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)作初始值。

6? ?結(jié)論

隨著2015年CCS規(guī)范推出了船舶總體變形監(jiān)測(cè)的船舶入級(jí)符號(hào)，以及大型半潛船、散貨船、油船、集裝箱船的船東對(duì)船舶變形監(jiān)測(cè)的高度關(guān)注，越來(lái)越多貨船安裝船舶總體變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文對(duì)船舶傳統(tǒng)變形測(cè)量系統(tǒng)分析，提出利用液體靜壓強(qiáng)帕斯卡定律設(shè)計(jì)船舶彈性變形監(jiān)測(cè)管網(wǎng)，解決船舶波浪干擾下獲得準(zhǔn)確的船體變形量問(wèn)題，為船舶總體變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)提供一定參考，另外也為市場(chǎng)多提供一種測(cè)量船舶總體變形經(jīng)濟(jì)而有效的方法和裝置。

參考文獻(xiàn)

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