一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统及识别方法技术方案

本发明专利技术属于海冰测试技术领域，涉及到一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统及识别方法，适用于具有直线型船艏的极地船舶。测试系统中，阵列式电阻应变计与动态数据采集仪连接，动态数据采集仪与服务器连接，进行数据处理，结果通过显示屏显示。其中，阵列式电阻应变计采用双片式剪应变测量方法，由4行、10列应变测点组成。通过冰载荷测试装置对船艏在海冰作用下的应变特性进行测试，再通过冰载荷识别方法将应变信号转换为冰载荷数据。本发明专利技术结构简单，使用方便，能够实现船舶在冰区航行中对船艏冰载荷特性的高空间分辨率与高精度识别。

【技术实现步骤摘要】
一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统及识别方法
本专利技术属于海冰测试
，涉及到一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统，特别涉及到针对全尺寸船舶结构的冰激应变特性测试方法及相应的载荷识别方法。
技术介绍
海冰是船舶在冰区航行中所面临的主要环境威胁，船舶航行时船体与海冰相互碰撞可对船舶形成较大的冰载荷。冰载荷可使船体发生变形甚至破坏，同时又可形成较大阻力影响船舶的动力性能。因此，对船舶结构所受冰载荷进行测试可有助于提高船舶在冰区航行中的安全性。已公知的文献有：“一种船体冰载荷精细测试数据的动态历程可视化方法CN201610967897.4”，该专利技术主要提供了船体冰载荷数据的可视化模型以及通过数据对水线进行识别。专利技术中所针对的触觉传感器仅适用于压力较小的模型试验，若安装于船体外侧则很容易发生破损，同时处决传感器面积通常低于1平方米也不适用于大尺度的实船测试。“一种自适应极地浮式平台冰载荷防护装置CN201910768096.9”，该专利技术的应用对象为浮式平台，浮式平台与船舶的结构形式和所受冰载荷的区域明显不同，同时该专利技术仅提出了采用阵列传感器对冰载荷进行监测而并未说明传感器的工作原理和布局。“孔帅,崔洪宇,季顺迎.船舶结构海冰载荷的实船测量及反演方法研究.振动与冲击,2020,39(20):8-16.”，该文献中所采用远场识别方法中识别区域距离水线较远，同时所采用的支持向量机方法基于数学回归模型而非物理模型，因此所测得结果的误差水平较高。“一种极地船舶结构冰载荷的远场测量识别方法CN202010825587.3”，该文献中同样采用远场识别的方法而非水线处的近场识别方法，同时该方法中并未说明船艏应变信号的具体采集装置。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统及识别方法。通过船艏冰载荷测试系统对船艏在海冰作用下的应变特性进行测试，再通过船艏冰载荷识别方法将应变信号转换为冰载荷数据。本专利技术要解决的技术问题是：针对实船与海冰相互作用时的较大作用力，很难通过传感器直接测量海冰对船体结构的作用力；即使采用传感器直接测量船体与海冰之间的作用力，也因传感器与船体结构的几何参数差异而影响测量精度；对于尺寸较大的实船测试，无法对整个船体结构进行测试；通过结构变形对载荷进行识别时，采用基于回归分析等数学模型的算法很难得到精度较高的结果；采用远场识别方法时，所测得的船体应变信号较弱且所识别的冰载荷精度也较低。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统，所述系统仅适用于具有直线型船艏的极地船舶而并不适用于具有球鼻艏的船型。针对极地船舶所具有的直线型船艏形状，海冰与船艏相互作用区域位于船艏两侧水线处。测试系统包括阵列式电阻应变计1-2、服务器4-3、显示屏4-4、动态数据采集仪4-1和RCCV数据传输导线4-2，其中，阵列式电阻应变计1-2通过RCCV数据传输导线4-2与动态数据采集仪4-1连接，动态数据采集仪4-1与服务器4-3连接，进行数据处理，结果通过显示屏4-4显示。所述的阵列式电阻应变计1-2采用双片式剪应变测量方法，由4行、10列应变测点所组成，其中，每行在水平方向包括10组应变计，每列在垂直方向包括4组应变计。每两个阵列式电阻应变计1-2为一组应变计，两者之间以相互垂直的方向固定，所测量剪应变方向应垂直于外板2-3方向，即两个相互垂直的电阻应变计之间夹角中分线与外板2-3的方向垂直(根据船体结构与海冰相互作用时的应力状态可知，垂直于船板方向的切应变值最大而平行于船板方向的切应变值最小)。每组中的两个阵列式电阻应变计1-2采用串联连接，通过RCCV数据传输导线4-2与动态数据采集仪4-1连接，用于测量电阻阻值变化。所述的阵列式电阻应变计1-2在水平方向的布点包括4个强肋骨3-1以及强肋骨3-1之间的肋骨2-4上，测点应于船体内部的肋骨2-4与强肋骨3-1表面，测点与外板2-3之间的距离为肋骨宽度的1/3处，肋骨2-4上下表面被焊接至外板2-3上(肋骨受力过程可简化为梁单元，梁单元在弯曲时靠近中心线处的应变值为零而靠近上下表面处应变值最大；同时肋骨上下表面被焊接至外板上而受约束减小了变形量；在现场安装过程中选择距离外板为肋骨宽度的1/3处更便于操作和实施。综合以上条件，所测位置应变值较大且便于安装。)。所述两个强肋骨3-1之间设有6个肋骨2-4，且两个强肋骨3-1之间间距通常小于3米，因此水平方向测点的间距约为1米。每个肋骨2-4或强肋骨3-1上在竖直方向上以1米的间距布置4个测点，即竖直方向覆盖范围共3米。根据海冰与结构相互作用时的边界效应，结构受压区域约为冰厚的三分之一，因此本专利技术可测量厚度9米以下海冰对船体结构造成的冰载荷。综合水平与竖直方向上测点之间的间距(各约1米)，本专利技术对船体冰压力识别时的面积分辨率为1平方米。本专利技术采用双片式剪应变测量方法，可通过两个电阻应变计的差值来计算测点的切应变从而抵消温度变化所引起的变形，在测量应变时无需额外安装温度补偿片。传统的应变花式的应变测量每个测点需占用动态采集仪的3个通道，本专利技术采用的方法每个测点只需占用1个通道，在通道数相同的情况下可增加3倍测点数量从而提高测试精度；根据船体结构的特点，在受到海冰作用后结构产生的剪应变值约为正应变的5倍以上，因此测量剪应变所得到的信号强度较大。所述的阵列式电阻应变计，其分辨率应高于1微应变且测试噪声低于0.1微应变，船体结构与抗压强度10MPa、厚度1米的海冰相互接触时船体肋骨所产生的切应变约为100微应变，满足本专利技术所需的电阻应变计可满足测量误差可低于1％。所述的动态数据采集仪，其A/D转化器的采样频率需高于500Hz，通过平滑曲线对所采集数据进行降噪后的真实采样约为采样频率的1/5，因此真实采样频率约为100Hz；考虑海冰与船体结构的相互作用过程通常为0.5至1秒，因此100Hz的真实采样频率可确保数据点密度能够捕捉到冰力周期中的峰值；通道数要大于40个才可保证至少满足本专利技术中所需测点数量。所述的RCCV数据传输导线，其材质应采用线径0.1平方的四芯RVVC导线，RVVC导线具有较低的电阻与较好的屏蔽层，可降低电源线、船舱壁等结构所引起的电磁场；线径0.1平方导线与电阻应变计的输出导线线径相同，便于导线与电阻应变计之间的连接；动态数据采集器与电阻应变计之间的最大导线传输距离应低于10米，当导线长度大于10米时其所受电磁波干扰以及自身电阻的影响会导致0.2微应变的误差。一种基于剪应变的船艏冰载荷识别方法，包括以下步骤：S1：对船艏建立有限元模型，模型中采用实体单元，针对肋骨2-4、外板2-3与甲板3-2之间连接处的复杂应力特点，此处采用尺寸小于0.1cm的四面体网格，从而提高反演矩阵的准确率；其余位置采用网格尺寸应小于1cm的六面体网格，从而提高整体的运算效率。S2：在有限元模型中对阵列式电阻应变计的测点覆盖区域进行划分，具体划分为1米×1米的若干个子区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统，所述测试系统仅适用于具有直线型船艏的极地船舶；其特征在于，所述的测试系统包括阵列式电阻应变计(1-2)、服务器(4-3)、显示屏(4-4)、动态数据采集仪(4-1)和RCCV数据传输导线(4-2)，其中，阵列式电阻应变计(1-2)通过RCCV数据传输导线(4-2)与动态数据采集仪(4-1)连接，动态数据采集仪(4-1)与服务器(4-3)连接，进行数据处理，结果通过显示屏(4-4)显示；/n所述的阵列式电阻应变计(1-2)采用双片式剪应变测量方法，由4行、10列应变测点所组成，其中，在水平方向每行包括10组应变计，在垂直方向每列包括4组应变计；每两个阵列式电阻应变计(1-2)为一组应变计，两者之间以相互垂直的方向固定，所测量剪应变方向垂直于外板(2-3)方向，即两个相互垂直的电阻应变计之间夹角中分线与外板(2-3)的方向垂直；每组中的两个阵列式电阻应变计(1-2)采用串联连接，通过RCCV数据传输导线(4-2)与动态数据采集仪(4-1)连接，用于测量电阻阻值变化；/n所述的阵列式电阻应变计(1-2)在水平方向的测点布置在4个强肋骨(3-1)表面以及强肋骨(3-1)之间的肋骨(2-4)表面，肋骨(2-4)上下表面被焊接至外板(2-3)上；每个肋骨(2-4)或强肋骨(3-1)上在竖直方向上以1米的间距布置4个测点。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统，所述测试系统仅适用于具有直线型船艏的极地船舶；其特征在于，所述的测试系统包括阵列式电阻应变计(1-2)、服务器(4-3)、显示屏(4-4)、动态数据采集仪(4-1)和RCCV数据传输导线(4-2)，其中，阵列式电阻应变计(1-2)通过RCCV数据传输导线(4-2)与动态数据采集仪(4-1)连接，动态数据采集仪(4-1)与服务器(4-3)连接，进行数据处理，结果通过显示屏(4-4)显示；
所述的阵列式电阻应变计(1-2)采用双片式剪应变测量方法，由4行、10列应变测点所组成，其中，在水平方向每行包括10组应变计，在垂直方向每列包括4组应变计；每两个阵列式电阻应变计(1-2)为一组应变计，两者之间以相互垂直的方向固定，所测量剪应变方向垂直于外板(2-3)方向，即两个相互垂直的电阻应变计之间夹角中分线与外板(2-3)的方向垂直；每组中的两个阵列式电阻应变计(1-2)采用串联连接，通过RCCV数据传输导线(4-2)与动态数据采集仪(4-1)连接，用于测量电阻阻值变化；
所述的阵列式电阻应变计(1-2)在水平方向的测点布置在4个强肋骨(3-1)表面以及强肋骨(3-1)之间的肋骨(2-4)表面，肋骨(2-4)上下表面被焊接至外板(2-3)上；每个肋骨(2-4)或强肋骨(3-1)上在竖直方向上以1米的间距布置4个测点。


2.一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统，其特征在于，所述测点与外板(2-3)之间的距离为肋骨宽度的1/3处。


3.一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统，其特征在于，所述两个强肋骨(3-1)之间设有6个肋骨(2-4)，且两个强肋骨(3-1)之间间距小于3米，水平方向测点的间距为1米。


4.一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统，其特征在于，所述的阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓东，崔洪宇，季顺迎，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21