【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及智慧码头建设和船舶工程，具体地说是一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法。
技术介绍
1、众所周知，船舶在码头的系泊安全问题，一直以来都受到人们的高度重视。在系泊过程中，船舶在港口环境条件（包括风、波浪、潮流等）的直接作用下会发生动态响应，可能使系泊缆绳载荷发生急剧变化，甚至发生断缆缆桩事故。这不仅会造成巨大的经济损失，也极大影响船舶和港口的安全运行。为了提高船舶在码头系泊的安全性，人们研究了多种缆绳载荷的测量方法，设计了缆绳载荷监测系统。早期的船舶靠泊缆绳载荷监测，主要依靠值班水手周期性巡查缆绳，仅凭其感官和经验来判断缆绳受力状态来预防断缆发生，因为预防效果受到人员专业经验、体力和责任心等多方面因素的极大制约，具有很大的不确定性，对作业安全性的保证也十分有限。因此，需要发展出更为可靠的监测方法。截至目前，码头系泊缆绳载荷的监测方法主要有三类：基于数学方法的载荷计算、基于智能算法的载荷监测预报、基于传感器的直接测量或间接测量。本专利技术属于第三类方法。
2、振动频率法是一种直接测量缆绳张力的方法，缆张测量的作用对象为缆绳，测量特征值为振动频率。振动频率法基于弦振动的物理原理，将缆绳看作一个固定端的自由悬挂弦，在外力作用下可以产生不同的振动模态。利用模态形状函数对张力测量方法建立严谨的数学模型。通过对模态形状进行参数研究，确定缆绳振动与张力之间的关系。考虑缆绳实际情况，当缆绳受到外力时，会发生微小的弯曲和变形，并改变其本身的振动特性，即振动频率发生变化。因此，可以通过缆绳的振动参数，推算缆绳张力大小。
3、一种销轴式测力传感器及船舶缆绳张力监测系统，其中销轴式测力传感器设为脱缆钩底座和脱缆钩的连接轴，传感器中的传感元件为压力传感元件设置在销轴内部，通过传输线缆将压力信号传送到表送器中;由传感器变送器处理成标准传感信号后传入数据处理单元中进行处理分析，后通过显示设备进行实时显示，还可通过数据线将处理后的压力信号传入上位机中;数据处理单元还连有声光报警器和无线发射模块。该系统，具有声光报警、实时信息的无线发射和上位机的实时监控，使船舶系泊缆绳的松弛度能够及时得到检测。
4、应变片测量法，这是一种典型的间接式缆张测量方法，缆张测量的作用对象为缆桩，测量特征为缆桩表面应力和应变。应变片充分利用了导体的物理特性和几何特征。在被测构件上粘贴电阻应变片，当被测构件受力发生变形时，电阻应变片将跟随其一起发生变形。由此，电阻应变片上的电阻丝也会发生变形，导致电阻值发生改变。这种现象称为电阻应变效应。具体来说，应变片通常由两个相互垂直的导电箔组成，在其中一个导电箔上附着有一个极细的金属薄膜，当外力作用于应变片时，金属薄膜发生微小的拉伸或压缩变形，致使两个导电箔之间的电阻发生改变。因此，通过检测应变片两端的电阻变化，可以计算出应变片的应变值。但是在本专利技术之前，缆桩应变测量反演缆张的前提是，假设缆绳方向已知，不能解决未知方向的缆张测量问题。且应变片的粘贴位置和方向是由操作人员的经验决定，缺乏理论依据。
5、现有的直接测量法，需要在缆绳上安装传感器，这在工程实际中操作不便，且测量精度差。
6、现有的销轴式测力传感器主要缺点是依赖快速脱缆钩，由于快速脱缆钩并未普及，仅适用于液化石油天然气运输船等大型码头上，对于那些没有安装快速脱缆钩的码头则无法使用。
7、现有的应变片测量缆桩应变在实际使用过程中的具有明显缺陷，如：前提是假设缆绳方向已知，不能解决未知方向的缆张测量问题。且应变片的粘贴位置和方向是由操作人员的经验决定，缺乏理论依据。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种解决实际工程中对系泊缆绳张力直接测量困难，监测实时性不高的难题，从而保证船舶及码头设施的安全的基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于方法的步骤如下：
4、（1）建立缆桩有限单元模型；
5、（2）单位荷载下缆桩应变的分析；
6、（3）基于缆桩应变分析情况确定缆桩应变区；
7、（4）基于ga算法的应变片布局优化；
8、（5）ga算法布局优化得到最佳测点位置及方向；
9、（6）得到缆桩的系数矩阵；
10、（7）在确定的最佳测点位置粘贴应变片；
11、（8）实际测量缆桩带缆时各测点的应变值；
12、（9）识别揽绳张力。
13、本专利技术所述的步骤（1）中建立缆桩有限单元模型具体为：利用有限元分析软件，建立了带缆桩的有限元计算模型。
14、本专利技术所述的步骤（2）中单位荷载下缆桩应变的分析具体为：计算各单位载荷作用下的缆桩应变，获取缆桩外表面各位置处的计算应变值，应变值通过壳单元的三向平面应变εx，εy和γxy来表达，其中，缆桩的单位载荷是指缆绳张力f在坐标系下的各分量fx,fy,fz，以及将轴向力平移后的力矩分量mx和my。
15、本专利技术所述的步骤（3）中基于缆桩应变分析情况确定缆桩应变区具体为：对有限元计算的应变值进行分析，初步确定各单位载荷工况下的缆桩结构应变区域，作为下一步贴片布局优化的候选区域，考虑到有限元分析时采取了受力简化，在缆桩上半部分的应变信息与实际情况存在差异，因此，仅选取缆桩下半部分的单元作为应变片布置的候选位置。
16、本专利技术所述的步骤（4）中基于ga算法的应变片布局优化具体为：基于遗传算法ga的应变片布置优化，以实现对候选单元进行筛选，得到最佳测点的单元位置和测点方向，若不考虑应变片损坏或数据采集通道故障的原因，载荷识别只要求测点数等于载荷数即可。
17、本专利技术所述的步骤（5）中ga算法布局优化得到最佳测点位置及方向具体为：遵循步骤（4）方法，获得应变片的布置图。
18、本专利技术所述的步骤（6）中得到缆桩的系数矩阵具体为：以步骤（5）得到的布局位置应变构造缆桩载荷识别的系数矩阵 c。
19、本专利技术所述的步骤（7）中在确定的最佳测点位置粘贴应变片具体为：在步骤（5）确定的最佳测点位置粘贴应变片。
20、本专利技术所述的步骤（8）中实际测量缆桩带缆时各测点的应变值具体为：采集缆桩带缆时各测点位置的表面实测应变值。
21、本专利技术所述的步骤（9）中识别揽绳张力具体为：根据式(13)即可计算出各方向的载荷分量，再由式（18）最终计算得到缆绳载荷，
22、（13），
23、（18），
24、上述公式中：为识别得到的缆绳载荷矩阵，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于方法的步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（1）中建立缆桩有限单元模型具体为：利用有限元分析软件，建立了带缆桩的有限元计算模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（2）中单位荷载下缆桩应变的分析具体为：计算各单位载荷作用下的缆桩应变，获取缆桩外表面各位置处的计算应变值，应变值通过壳单元的三向平面应变εx，εy和γxy来表达，其中，缆桩的单位载荷是指缆绳张力F在坐标系下的各分量Fx,Fy,Fz，以及将轴向力平移后的力矩分量Mx和My。
4.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（3）中基于缆桩应变分析情况确定缆桩应变区具体为：对有限元计算的应变值进行分析，初步确定各单位载荷工况下的缆桩结构应变区域，作为下一步贴片布局优化的候选区域，考虑到有限元分析时采取了受力简化，在缆桩上半部分的应变信息与实际情况存在差异，因此，仅选取缆桩下
5.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（4）中基于GA算法的应变片布局优化具体为：基于遗传算法GA的应变片布置优化，以实现对候选单元进行筛选，得到最佳测点的单元位置和测点方向，若不考虑应变片损坏或数据采集通道故障的原因，载荷识别只要求测点数等于载荷数即可。
6.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（5）中GA算法布局优化得到最佳测点位置及方向具体为：遵循步骤（4）方法，获得应变片的布置图。
7.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（6）中得到缆桩的系数矩阵具体为：以步骤（5）得到的布局位置应变构造缆桩载荷识别的系数矩阵C。
8.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（7）中在确定的最佳测点位置粘贴应变片具体为：在步骤（5）确定的最佳测点位置粘贴应变片。
9.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（8）中实际测量缆桩带缆时各测点的应变值具体为：采集缆桩带缆时各测点位置的表面实测应变值 。
10.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（9）中识别揽绳张力具体为：根据式(13)即可计算出各方向的载荷分量，再由式（18）最终计算得到缆绳载荷，
...【技术特征摘要】
1.一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于方法的步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（1）中建立缆桩有限单元模型具体为：利用有限元分析软件，建立了带缆桩的有限元计算模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（2）中单位荷载下缆桩应变的分析具体为：计算各单位载荷作用下的缆桩应变，获取缆桩外表面各位置处的计算应变值，应变值通过壳单元的三向平面应变εx，εy和γxy来表达，其中，缆桩的单位载荷是指缆绳张力f在坐标系下的各分量fx,fy,fz，以及将轴向力平移后的力矩分量mx和my。
4.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（3）中基于缆桩应变分析情况确定缆桩应变区具体为：对有限元计算的应变值进行分析，初步确定各单位载荷工况下的缆桩结构应变区域，作为下一步贴片布局优化的候选区域，考虑到有限元分析时采取了受力简化，在缆桩上半部分的应变信息与实际情况存在差异，因此，仅选取缆桩下半部分的单元作为应变片布置的候选位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于缆桩表面应变间接测量缆绳张力的方法，其特征在于所述的步骤（4）中基于ga算法的应变片布局优化...
【专利技术属性】
技术研发人员：周立师，周佳，潘浩洁，孙元璋，朱凡述，李玉山，欧书博，陈洲，
申请(专利权)人：招商局金陵船舶威海有限公司，
类型：发明
国别省市：
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