一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法技术

一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法，属于设计船舶局部强度监测、整船应力监测领域。该方法根据实船高应力区的需要，安装光纤传感器，传感器安放在名义应力区；进行有限元模型模拟实验，结合海况及波浪参数信息，读取有限元模拟过程中相近的装载与载荷工况，确定实船受力，确定测点位置并找出测点与热点应力的关系系数k；根据关系系数，结合测点应力，直接根据公式δ2＝k*δ1读取热点应力。本发明专利技术能更好的将有限元模型与实船串联起来，实船正常航行过程中可直接根据光纤传感器测电压力得出热点应力；能避免光纤传感器安装过程中为了更准确的测量热点应力大小而必须考虑的安装位置等信息，能更快捷，更高效的进行船舶应力、应变实时监测。

A Hot Point Stress Monitoring Method Based on Optical Fiber Sensor

A hotspot stress monitoring method based on optical fiber sensor measuring point pressure belongs to the field of design ship local strength monitoring and whole ship stress monitoring. According to the need of high stress area of real ship, the method installs optical fiber sensor and the sensor is placed in nominal stress area; carries out finite element model simulation experiment, combines with sea condition and wave parameter information, reads the similar loading and load conditions in the finite element simulation process, determines the force of real ship, determines the position of measuring point and finds out the relationship coefficient K between measuring point and hot spot stress; and according to the relationship coefficient, Combined with the measured point stress, the hot spot stress can be read directly according to the formula [delta 2=k*delta 1]. The invention can better connect the finite element model with the real ship in series, and can directly obtain the hot spot stress according to the voltage and force measured by the optical fiber sensor during the normal navigation of the real ship; it can avoid the information such as the installation position which must be considered in order to measure the hot spot stress more accurately during the installation process of the optical fiber sensor, and can more quickly and efficiently carry out the real-time monitoring of the stress and strain of the ship.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法
本专利技术属于设计船舶局部强度监测、整船应力监测领域，具体涉及一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法。
技术介绍
船舶航行过程中结构的安全性是保证正常航行的基础，在船舶设计中，设计人员要根据船级社提供的相关规范和准则确定各种设计载荷，来评估构件强度。但由于实际航行过程中海况复杂，受力的随机性，极易对船体结构造成损伤，所以需要应力实时监测，尤其是高应力区的热点应力。监测系统已由最初的电阻式应变片发展到如今的光纤传感器技术，可以实现大规模、分布式传感，构成分布式传感网格，解决电阻应变测量布线繁杂。缆线太多等不足。光纤传感器不仅可以对高应力区、微弱构件进行应力监测，还可以通过统计数据分析来对船舶可靠性进行分析。对于各种船舶如：油船，散货船，多体船，钻井船，LNG船，集装箱船等船体结构复杂，典型节点众多，考虑尽可能多的包含全船典型的结构形式，将全船有限元模型分为甲板和平台，典型横剖面，纵横舱壁这三类，由经验可以知道甲板舱口角隅、甲板横梁与纵舱壁交接处、上层建筑端部、上层建筑折角处等结构突变处的板单元节点，平台与舷侧肘板过渡处等板单元节点，各典型横剖面，支柱与甲板横梁交接处，舷侧强肋骨与甲板相交处，肘板与内底板(内底折角处)或甲板板相交的趾端部位等结构突变处的板单元节点，纵舱壁与横舱壁肘板连接处，纵舱壁与甲板肘板连接处，横舱壁与纵桁相交处，纵舱壁与横梁相交处等的板单元节点，常常是高应力区出现的部位。船体热点应力不能直接得到，需要根据0.5t和1.5t(t为局部构件的板厚)处的应力值插值得到，由于船体局部构件高应力区的焊缝处过于狭窄，传感器不能直接安装，以免传感器损坏，一般传感器安装在距热点一定距离处，而不是需要的测点位置来预估热点应力。本申请人的专利技术经过研究，设计了一种关系系数，可以根据测点压力直接得到实船高应力区的热点应力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法。为了从光纤传感器测点应力直观反映出热点应力大小，本专利技术采用一种新型关系系数k，根据该关系系数进行简单的计算即可直接读出数值，可以更高效，更迅速的进行实时监测。对于一艘大型船舶真实航行状态下，用光纤传感器进行应力监测时，只需要知道测点应力δ1，根据关系系数k，就可以马上知道热点处应力值为：δ2＝k*δ1。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法，具体包括以下步骤：(1)根据实船高应力区的需要，安装光纤传感器；传感器安放在名义应力区即可，结合空间安装无具体位置要求。(2)实船航行过程中，结合海况及波浪参数信息，读取有限元模拟过程中相近的装载与载荷工况，找出测点与热点应力的关系系数。在有限元模型上找到该局部构件对应的热点位置，对热点附近的网格进行细化，根据实船测点与热点的距离和方向找出传感器测点在模型上的位置，在首尾两端根据当时的海况和受力进行模拟，施加约束和载荷(船体梁载荷，由船体运动产生的货物动压力，海水动压力等)。热点应力对于船舶上局部构件的热点应力，根据疲劳指南上的相关规定，由疲劳插值得到δh＝1.5δ0.5t-0.5δ1.5t，δ0.5t＝1.5δ1-0.5δ3，δ1.5t＝1.5δ2-0.5δ4；将实船上光纤传感器放置的测点位置在有限元模型上找到，由有限元分析得出测点的应力值δn。(3)根据关系系数，结合测点应力，直接根据公式读取热点应力；实船航行过程中受力程度复杂，根据疲劳指南，在有限元模型上真实模拟时，以与焊缝垂直方向的力为基准，通常认为与热点焊缝垂直的方向为测点受力最接近的代表力，力的大小由得到，则实船在当时的环境下热点应力大小为本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术能更好的将有限元模型与实船串联起来，在实船设计初期将k值确定下来，后期实船正常航行过程中可直接根据光纤传感器测电压力得出热点应力，省去根据传感器实时数据在进行线性关系拟合推导；(2)本专利技术避免光纤传感器安装过程中为了更准确的测量热点应力大小而必须考虑的安装位置等信息，通过关系系数，可以使传感器的安装能够结合实船特殊位置的情况而点焊。说明书附图图1为一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法流程图；图2为热点应力插值示意图；图3为三舱段结构示意图；图4为三舱段热点区结构图；图5为三舱段热点区热点处网格细化示意图；图6为提取单元格ID示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明：本专利技术基于光纤传感器测点应力直接得出热点应力的方法，该方法基于真实模拟全船的有限元模型上热点应力与测点应力的关系系数，例如：横舱壁与内底板相交的端部热点应力，只需要光纤传感器监测点应力值与有限元模型得到的关系系数的表达式就可直接得到热点应力的大小。该方法可以更快捷，更高效的进行船舶应力、应变实时监测。一种由光纤传感器测点压力直接得到热点应力大小的方法，将实船与有限元模型结合使用，在模拟实船的模型中得出热点应力和测点应力的关系系数，根据该关系系数可实现对热点应力的实时监测。有限元模型建立时，热点区域要和实船吻合，测点位置要在模型上确定下来，船舶航行过程中的海况要通过波浪载荷软件加载出来，根据实船受力情况在模型上通过场、质量点模拟出来。总之要与实船受力一致。通过有限元分析出的关系系数，在实船上通过δ2＝k*δ1可直接得到热点应力。监测对象：某船三舱段结构部分高应力区热点应力如图1、2。如图1所示，有限元模型建立实船三舱段结构模型图，舱段两端节点与中和轴中部节点建立MPC约束。图2所示为舱段结构中横仓壁与船舷侧水平桁材及外板交点处产生的热点区。(经全船设计波运算后，该出应力值较高，故确定热点区，在实船上要进行实时监测)。热点处细化如图3所示，借助HCSR规范软件进行热点处细化，将粗网格细化为t*t大小的单元网格。具体做法如下：(1)在三舱段左端MPC约束点处施加1*10^7N/mm的弯矩，在右端MPC点出设成简支梁模式，位移约束为0，找出模型中心位置，用惯性释放使模型自适应，达到平衡状态。(2)用有限元软件进行计算，提取4个板单元沿X方向的受力，如图4所示，提取的单元编号及应力大小如下所示单元编号X方向应力值(MPa)ELm16998719.37Elm16998616.94Elm16999217.85Elm16999116.02(3)根据前文提到的插值公式计算得到热点Node109043处应力大小21.50MPa,假设实船监测时光纤传感器位于轴向距热点25mm处，则在有限元中读取测点Node110077处的应力为13.29MPa，由δ2＝k*δ1公式，得出k值约为1.618。(4)由上文算例可以分析出，当船舶受力及约束与算例模型相同，且测点与模型位置相同时，应用该关系系数可直接得到实船上热点应力大小，来评估结构得安全性和可靠性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据实船高应力区的需要，安装光纤传感器，传感器安放在名义应力区；(2)进行有限元模型模拟实验，结合海况及波浪参数信息，读取有限元模拟过程中相近的装载与载荷工况，确定实船受力，确定测点位置并找出测点与热点应力的关系系数k；(3)根据关系系数，结合测点应力，直接根据公式δ2＝k*δ1读取热点应力。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据实船高应力区的需要，安装光纤传感器，传感器安放在名义应力区；(2)进行有限元模型模拟实验，结合海况及波浪参数信息，读取有限元模拟过程中相近的装载与载荷工况，确定实船受力，确定测点位置并找出测点与热点应力的关系系数k；(3)根据关系系数，结合测点应力，直接根据公式δ2＝k*δ1读取热点应力。2.根据权利要求1所述的所述的一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法，其特征在于：所述的有限元模型建立时，热点区域要和实船吻合，测点位置要在模型上确定下来，船舶航行过程中的海况要通过波浪载荷软件加载出来，根据实船受力情况在模型上通过场、质量点模拟出来。3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器测点压力的热点应力监测方法，其特征在于：所述的关系系数k的求解方法为在有限元模型上找到该局部构件对应的热点位置，对热点附近的网格进行细化，根据实船测点与热点的距离和方向找出传感器测点在模型上的位置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国庆，周渝航，任慧龙，周学谦，刘浩，马瑞琪，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23