船体结构疲劳评估与强度在线监测系统

周建梅 1 朱万军 2 何振光 3 张智太 3

1 青岛晟海超越船舶配套有限公司 山 东青岛 266400 ； 2 山东海洋工程装备有限公司 山东青岛 266400 ； 3 山东海洋工程装备研究院有限公司 山东青岛 266400

摘要：船舶结构的疲劳评估和强度在线监测技术一直是业内的研究重点，随着传感器技术和计算机技术的不断发展，船舶结构的在线监测技术也获得了明显的进步。本文介绍了一种基于光纤光栅传感器的在线式监测系统，通过采集船体结构的应力、应变等关键参数，结合数据分析和处理，对船舶结构的疲劳和强度进行评估，提升船舶的航行安全性。

关键词：船体结构；疲劳评估；强度；监测系统

引言

在当前的世界贸易之中，船只运输本身的大容量以及低消耗成了最重要的运输工具之一，在当前的运输工作中，为了保证自身的安全，对于船体的焊接工作有着非常高的要求，只有符合要求，才能够进行后续的工作，因此在当前的焊接质量检验之中，主要的检验目标是对船只的焊接表面以及焊接内部的质量进行控制，进而针对当前的检验技术进行相关探讨，对当前焊接质量进行有效地控制，从而完成船体的建造工程。

1船体结构疲劳评估与强度计算的基础研究

通常，船体结构的疲劳评估方法是传统的S-N曲线法、miner线性损伤理论法和可靠性概率分析法，分别如下：1）S-N曲线是指应力与导致结构失效的循环次数之间的关系曲线，S-N曲线按照下式计算： 式中：m，C为常数。应用S-N曲线法进行疲劳评估时，还需要结合材料加工特性等因素进行修正，如下：

式中：为平均循环次数。船舶外壳材料主要是Q355钢，该材料的S-N寿命曲线如图1所示。

2）miner线性累积损伤理论SiNi若某结构在应力范围下，材料寿命为，则可得miner损伤理论的疲劳寿命计算方法为：

式中：为结构的寿命；为应力的最大值，MPa；为结构受到的平均应力。

2船体结构疲劳评估与强度在线监测系统

2.1内部缺陷检验

在内部缺陷检验之中，主要使用的是超声波检测技术以及射线检测技术。首先是超声波检测技术，这种技术本身能够对焊接内部的问题进行明确。在焊接的检验过程中，由于自身的准确性较高，同时体积也比较小，在携带以及移动方面有着非常强的实用性，所以可以适用于很多范围，并且能够起到非常有效的效果，但是这样的检测方式，本身也有存在一定的缺陷，这种检测方式对于内部存在的焊接缺陷不能够准确反应。所以针对这样的情况，射线检测方式可以有效对这部分的不足进行弥补。在检测的过程中，通过射线探伤能够对工艺检测结论得出非常准确的信息。在实际的使用过程中，准备工作完成之后，设备进场，同时对定位准确性进行复核，这样做是为了减少误差的产生，当参数保证无误的时候，就需要进行拍摄工作，在拍摄完成之后，对比成形图像，用肉眼观察内部是否存在气孔、夹渣、未焊透、未熔合等缺陷，只有这样才可以完成检验工作，保证船体的正常进行。

2.2运动检测

混合高斯背景建模融合了背景建模和运动检测，模型会使用一小段时间的视频帧进行训练，每个像素会以权重的形式将几个不同的高斯分布进行组合，当后续的像素值变化不在这几个高斯分布时，就会被判断成前景，从而可以检测到移动的物体。但这样并不能很好的检测慢速较长物体，比如货船。货船一般从视频下方出现，由于货船的形状和体积导致会在某一块区域形成较为稳定的像素值，而这块区域往往会被错误地识别为背景，导致不能检测整个船体。在本文的背景建模中，像素值改变超过10的学习率几乎为0，这表明这点像素值并不会进行更新，故当有运动物体经过时，此时存在物体的区域差值会较大，从而可以检测到运动物体，但往往噪声也会导致差值超过10，所以需要区分噪声和运动物体。这里采用Otsu来将噪声和运动物体分割开来。由于在水面上航行的船舶最大的噪声是船体的阴影和船体产生的噪声，而这两者与船舶本身相比，差值会明显小一些，从而可以找到一个阈值将噪声和船体分割开来

2.3焊接外观的检验

对焊接进行外观的检测可以对船体焊接过程中，出现的一些质量问题进行明确，进而对这部分的问题进行解决，主要通过目测的方法对焊接接口进行检查。这样的检测方式本身具备一定的优势，在实施的过程中容易使用，并且操作较为简单，因此在检测过程中经常使用，但是这样的检测方式只能针对外部的一些焊接问题，对于内部情况则是难以做到精准地发现，因此在检测的过程中，非常容易出现质量检测精度低的现象。在当前的外观检测之中，液体渗漏法是使用频率较高的一种方式，使用这样的方式，在检验的过程中，首先需要对表面的锈迹进行处理，确保当前的检测面足够干净，随后将渗透液进行涂抹，一面涂抹煤油，一面涂抹石灰，注意均匀涂抹，保证检测的过程中，液体能够有效渗透到焊接的缝隙之中，让整个检测更加准确，这种方式在使用的过程中，主要的优势是能够保证船体表面的安全性，渗透液本身对于船体没有伤害，也不会对焊接接缝造成影响，所以可以保证使用的安全。

2.4船体结构疲劳和强度监测系统的传感器技术研究

在本文设计的船体结构疲劳评估和强度监测系统中，传感器是其中的关键技术，传感器对于船体结构力学信号采集的精度，直接决定了监测系统的性能。针对船舶结构的特性，本文选用了光纤光栅传感器作为船舶结构力学信号采集的工具。由于船体结构的应变直接影响光纤光栅的波长漂移，对光纤光栅传感器的波长测量就可以获得准确的结构应变，确保了船体结构力学信号采集的精度。

3结果分析

船体结构强度是船舶制造的重要指标，必须要保证船体结构在水下爆炸冲击作用下，能够保持良好的强度和刚度。本文对水下爆炸冲击载荷进行详细建模，建立了船舶壳体结构的损伤力学模型和有限元模型，并基于Ansys有限元仿真平台，对船体结构在水下爆炸冲击载荷下的弹塑性响应进行仿真。本文设计了一种在线式船体结构疲劳评估和强度监测系统，分别从疲劳评估原理、系统组成和传感器技术等方面进行了介绍，具有一定实际应用意义。

结束语

使用简单高效的STM32芯片，配合适用于在船上运行的传感器外设，利用物联网通信平台，实现了用户与物联网、物联网与单片机、单片机与传感器之间的交互。用户使用手机/电脑通过WIFI或者5G/4G/3G/2G网络通信手段，能非常方便的实时查看舱内环境的状况，在环境异常时，终端立刻报警，用户迅速采取有效措施，能够最大程度地减少财产损失，保障船上人员生命安全。本文设计了一种在线式船体结构疲劳评估和强度监测系统，分别从疲劳评估原理、系统组成和传感器技术等方面进行了介绍，具有一定实际应用意义。

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