船舶结构监测系统的应力预测研究

船舶结构监测系统的应力预测研究

郭卫远

武汉船舶设计研究院有限公司湖北武汉市430061

摘要：传统船舶航行决策对于决策的经验过分依赖，辅助决策可以帮助决策者在决策过程中更好地分析问题、评价和制定方案，其中对船舶结构监测系统的预测研究是船舶中辅助决策前提条件，故着重对该部分进行研究。首先，对船舶结构应力监测传感器的选用及布置方案进行讨论；然后，针对船舶结构应力序列非线性、非平稳信号特点，提出了一种互补集合经验模态分解（CEEMD）和通过改进网格搜索法进行参数寻优的支持向量机（SVM）相结合的结构应力预测模型；最后，利用多种测试样本验证预测模型的可靠性和准确性。通过实验验证，提出的结构应力预测模型在不同海况情况下都具有较高的准确性。

关键词：船舶结构；监测系统；应力预测

引言

在船舶设计阶段，为防止结构发生疲劳破坏，需要进行疲劳强度校核。设计部门根据各种疲劳规范和直接计算法计算船舶疲劳强度，使船舶疲劳强度满足相关规范的要求。但由于在实际航行中，船舶会遭遇各种意外环境和人为因素，如恶劣的海况、装载不合理及人为操作失误等，而这些因素很难在船舶设计阶段中得以考虑，导致船舶在实际航行时产生疲劳问题。

1.传感器的选择及布置

1.1传感器的选择

船舶结构应力监测对传感器的可靠性、使用寿命、物理量传递效率和测量精确度有着很高的要求。所以经过综合分析考虑选择管式和埋入式封装光纤光栅传感器相对而言更加适用于船舶结构应力监测。

1.2传感器的布置

无论是民船还是军船，船舶的结构复杂，空间紧凑，提供给船舶结构监测系统的传感器布置空间十分狭窄。目前对一艘舰船实施结构监测大概需要几十个或上百个监测点，传感器的排布是其主要的难点之一。单独的空分复用、波分复用和时分复用技术都有其自身的不足，难以满足船舶结构应力监测的需求。本文结合波分复用与空分复用技术，将全船的监测传感器进行分组：同一船舱内的传感器之间采用波分复用，不同船舱或甲板之间的传感器则采用空分复用的方法；不同波长的传感器采用波分复用方式串联，再利用空分复用方式并联。这种方法在充分利用了光源的同时有效地减小了传感器间的串扰。波分复用和空分复用结合的混合复用系统如图1所示。

图1波/空分复用混合复用技术结构示意

2.疲劳监测系统阐述

船舶疲劳应力监测系统（图2）利用光纤传感器对监测点进行疲劳应力监测，进而获取监测点应力时历数据。该时历数据会被传到数据库中，或者以曲线图的形式直接在界面显示出来。该系统每隔5min会利用疲劳强度评估模块进行疲劳强度评估，计算之前一段时间内监测点已发生的损伤，并预报其剩余寿命。

监测结果会被存储到数据库中，并可以曲线图、频谱图、条形图及饼图等多种形式展现在界面上。

图3不同特征变量分类结果

实验证明，利用上述特征进行特征提取，预测效果可达到最优效果。

3.2CEEMD和SVM预测实验

本文将某船模总长12.48m、船宽1.568m、设计吃水0.404m、排水量4.672t、航速6kn，在高、低及混合海况下实验得到的10h数据作为实验数据。采用滑窗对数据进行提取，采样频率为20Hz，窗口长度为5min，即滑窗可容纳的数据量为6000。利用前5min的数据进行特征提取来训练预测模型，预测不同海况下所对应的后15s即将发生的结构应力数据。利用上述模型分别在高海况、低海况及混合海况中进行预测，结果如图4-5所示。

图5低海况下模型预测结果

3.3传感器的安装工艺

应用于船体结构长期监测工作中的应变式传感器是通过将电阻应变片粘贴到敏感零件上，当被监测的船体结构位置发生变化时，敏感零件会因挤压情况对应变式传感器的电阻应变片进行挤压，从而带动电压电流变化，并将结果显示在二次仪表上。因为应变式传感器零件较小，且对外力感受敏感，不正确的操作可能会造成其后期使用时测量结果出现重大误差，所以这就要求在安装过程中注意合理操作，有效地规避预设应力的产生。

4.结束语

综上所述，船体长期监测系统在船体结构、关键部件、经常出现应力状况的部位以及运输过程中对不可预见危险的监测中发挥着其无可比拟的作用。这一技术的应用，在一定程度上解决了船舶寿命短，所受危险频率大的问题，并且提高了船舶负责人及工作人员的安全意识。随着高新技术的发展，船体长期监测系统技术也在稳步提升，其前景不可估量。船体长期监测系统的进步，这对船舶业的发展也有着重要的影响。

参考文献:

[1]杨洁，徐进，郑余良，杨非，张宝强，金平涛，惠军涛.西安地区害虫性诱自动化监测预警系统的应用现状[J].陕西农业科学，2017，（05）：84-86.

[2]朱学智.远程自动监测系统在大气污染中的应用分析[J].绿色环保建材，2017，（05）：208-209.