大开口船型波浪弯_扭矩间接监测方法_范鑫杨.pdf

第 44 卷第 2 期2023 年 2 月哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.44.2Feb.2023大开口船型波浪弯/扭矩间接监测方法范鑫杨1,李辉2,张猛1,曲先强1(1.哈尔滨工程大学 烟台研究院,山东 烟台 264000;2.广东海装海上风电研究中心有限公司,广东 湛江 524000)摘 要:为准确得到大开口船型波浪弯/扭矩监测结果,本文基于船体扭转基本理论研究了大开口船型波浪弯/扭矩间接监测方法。根据船中横剖面弯/扭矩与结构纵向应变之间的关系,提出了一种联合双剖面监测法,并用数值方法建立了波浪弯/扭矩间接监测的数学模型,通过多次数值模拟验证了所识别波浪弯/扭矩的准确性。在联合双剖面监测法中,同时监测船体结构 2 个邻近的横剖面,分别计算两横剖面的双力矩、弯矩和自由扭转扭矩,得到中间剖面的波浪弯/扭矩。数值模拟结果表明:联合双剖面监测法能够准确地反求出波浪弯/扭矩,特别是在波高较大的情况下反求精度更高。关键词:船体扭转基本理论;联合双剖面监测方法;波浪弯/扭矩间接监测;数值模拟验证;大开口船型;载荷识别;长基线应变仪;双力矩DOI:10.11990/jheu.202106080网络出版地址:https:/ 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2023)02-0190-07Research on the indirect monitoring method of wave bending/torque for large-opening shipsFAN Xinyang1,LI Hui2,ZHANG Meng1,QU Xianqiang1(1.Yantai Research Institute and Graduate School of Harbin Engineering University,Harbin Engineering University,Yantai 264000,China;2.Guangdong Haizhou Offshore Windpower Research Center Co.,Ltd.,Zhanjiang 524000,China)Abstract:In this paper,the indirect monitoring method of wave bending/torque is studied based on hull torsion theo-ry to accurately obtain the wave bending/torque monitoring of large-opening ships.According to the relationship be-tween the bending/torque of the mid-ship cross section and the longitudinal strain of the hull structure,a combined double-section monitoring method is proposed,and a mathematical model of indirect monitoring of wave bending/torque is established numerically.The accuracy of identified wave bending/torque is verified through several numeri-cal simulations.In the combined double-section monitoring method developed in this study,two adjacent cross sec-tions of the hull structure are monitored simultaneously.The bi-moment,bending moment,and torque moment of the free torsion of each hull structure monitoring cross section are calculated to obtain the wave bending/torque of the middle section.The numerical simulations demonstrate that the combined double-section monitoring method can accu-rately provide wave bending/torque,particularly the calculation accuracy is higher as the wave height is higher.Keywords:basic theory of hull torsion;combined double-section monitoring method;indirect monitoring of wave bending/torque;verification of numerical simulation;large-opening ship;load identification;long base strain gau-ges;bi-moment收稿日期:2021-06-28.网络出版日期:2022-10-28.基金项目:山东省自然科学基金项目(ZR2022QE106).作者简介:范鑫杨,男,硕士研究生;张猛,男,助理研究员.通信作者:张猛,E-mail:zhangmeng .由于非大开口船型的抗扭刚度非常大,波浪扭矩对船体结构的影响较小,在非大开口船型波浪力矩间接监测时忽略了扭矩的影响。但对于集装箱船等大开口船型而言,船体抗扭刚度较低,其所承受的波浪扭矩作用不可忽略1。结构载荷的间接监测,即载荷识别,是结构力学中的反问题。载荷识别问题的研究源于 20 世纪 70 年代的航空领域2,通过监测得到的结构响应反求飞机所受的外部动态载荷。从 20 世纪末,载荷识别技术逐渐应用到船舶结构载荷的间接监测中3-4。张猛等5提出了一种 Tikhonov 正则法与粒子群优化算法相结合的混合算法用于闸门冰第 2 期范鑫杨,等:大开口船型波浪弯/扭矩间接监测方法载荷的反演,识别出了冰载荷的近似分布。Ritch等6对加拿大海岸警卫队的破冰船的局部冰载荷进行了间接监测研究,通过监测得到的结构响应反求船体外板承受的分布式冰载荷。许劲松7提出了一种时域估测方法,从耦合的升沉,纵摇测量数据间接监测出船体垂向波浪弯矩值。梁文彬8研究了光纤光栅船舶结构健康监测系统的整体方案,并用双光纤光栅实现了船体梁弯矩载荷的间接检测。Choi 等9提出了一种在集装箱船中部安装长基线应变仪的船体应力监测系统的应变分解方法,该方法用线性矩阵方程表示,分解后的应变向量等于变换矩阵的逆与实测应变向量的乘积。通过在实际集装箱船上的应用,证明是一种有效的求解集装箱船弯扭力矩的方法。但该分解算法为半经验半解析法,算法表达式简单,缺乏理论依据。由于大开口船型船体弯/扭联合的复杂性,监测船体单一横剖面特定位置的结构纵向应变很难准确计算出监测横剖面所承受的波浪弯矩与波浪扭矩,本文提出了一种联合双剖面监测法,其数学模型基本形式通过结构弯/扭分析得到,计算精度通过全船有限元仿真验证。1 波浪弯/扭矩间接监测的数学模型 船舶在实际运营中或在海上航行时,其所承受的波浪弯/扭矩一般在船中附近最大,所以在监测波浪弯/扭矩时 LVDT 长基线应变仪一般布置在船中附近,其监测到的结构响应是 2 m 范围内的结构平均微应变,对局部载荷不敏感,能更准确得到纵向应变。LVDT 长基线应变仪监测到的结构纵向应变成分极其复杂,在监测船体波浪弯/扭矩时假定 LVDT 长基线应变仪监测到的结构纵向应变仅由波浪弯/扭矩引起。此外,船体扭矩一般包含 2 种成分,即自由扭转扭矩和二次扭矩。在波浪弯/扭矩与结构纵向应变之间建立完整的映射关系之前需要明确各外力矩与结构纵向应变之间的关系。1.1 总纵弯矩与结构纵向应变之间的关系 如图 1 所示,在大开口船体舱段内安装 4 支长基线应变仪 LBSG_A、LBSG_B、LBSG_C 和 LBSG_D,其在局部坐标系下的坐标分别为(yA,zA)、(yB,zB)、(yC,zC)和(yD,zD)。局部坐标系的原点与结构横剖面的形心位置相同,如图 1 所示。在此定义,能使船体结构向上拱起,即向 Z 轴正向拱起的总纵弯矩MV为正,反之为负。若此船体舱段仅承受总纵弯矩 MV的作用,由纯弯曲假定,很容易得到总纵弯矩 MV与4 支长基线应变仪安装位置处的结构纵向应变之间的线性关系:=MVzEIy(1)式中:E 为弹性模量;Iy为船体横剖面对 Y 轴的惯性矩。图 1 长基线应变仪布置Fig.1 Arrangement of long base strain gauges1.2 横向弯矩与结构纵向应变之间的关系 在此定义,能使船体结构向左舷拱起,即向 Y轴正向拱起的横向弯矩 MH为正,反之为负。若此船体舱段仅承受横向弯矩 MH的作用,由纯弯曲假定,很容易得到横向弯矩 MH与 4 支长基线应变仪安装位置处的结构纵向应变之间的线性关系:=MHyEIz(2)式中 Iz为船体横剖面对 Z 轴的惯性矩。1.3 自由扭转扭矩与结构纵向应变之间的关系 自由扭转也称为圣.维南扭转,即结构在扭转过程纵向应变不受约束。根据结构剖面形式,结构剖面可分为开口、闭口以及混合等 3 种主要结构形式。集装箱船等大开口船型一般为多闭口结构。由于正多边形结构在扭转过程中横剖面没有翘曲正应力,即正多边形结构所承受的扭矩仅含有自由扭转扭矩一种成分,所以为简要说明自由扭转扭矩与结构纵向应变之间的关系,以圆筒形结构的扭转为例,如图2 所示。图 2 结构自由扭转Fig.2 Structural free torsion图 2 所示的圆筒形结构右端刚性固定,左端仅有扭矩 Tf作用。圆筒形结构横剖面的扭心(扭转191哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报第 44 卷中心)与其形心重合,如图 2 中的 O 点。长基线应变仪通过基座安装与 A、B 2 点,用于测量圆筒形结构外表面的一条纵向“纤维”AB 的长度变化量。在扭矩 Tf作用前,AB 的长度为 L,扭矩 Tf作用后,B 点变化至 B,AB 的长度变为 L,左端剖面扭角为,扭转半径,即长基线应变仪距扭转中心的直线距离为 r。所以,长基线应变仪的监测应变可表示为:=L-LL=L2+r22-LL(3)进而得到:=Lr2+2(4)船体结构的纵向应变一般可认为是微量,所以:=Lr2(5)最终,自由扭转扭矩与纵向应变之间的关系可表示为:Tf=GJ=GJL=GJr2(6)式中:G 为剪切模量;J 为结构横剖面自由扭转惯性矩。类似,若船体舱段仅承受自由扭转作用,如图 3所示。大开口船型的横剖面扭心一般位于船体基线以下,如图 3 中的 O 点。4 支长基线应变仪与扭心O 的直线距离分别为 rA、rB、rC和 rD,则自由扭转扭矩 Tf与结构纵向应变之间的关系可表示为:=T2fr22G2J2(7)图 3 船体结构自由扭转Fig.3 Free torsion of hull structure1.4 二次扭矩与结构纵向应变之间的关系 船体扭矩一般为自由扭转扭矩和二次扭矩的和,其在大开口货舱区的近似分布如图 4 所示。二次扭矩 T为双力矩 B 的导数,即:T=dBdx(8)二次扭矩 T和双力矩 B 在大开口货舱区的近似分布如图 5 所示。若大开口舱段仅受二次扭矩 T作用,二次扭矩T与长基线应变仪安装位置处的结构纵向应变并无线性关系,而双力矩 B 与结构纵向应变存在线性关系:=BEI(9)式中:为长基线应变