摘要：船舶结构应力监测与强度评估系统主要用于船体的重要结构、敏感部位和关键构件中的结构应力实时监测以及船体结构强度的在线评估。由于系统既要对结构应力进行实时监测，又要对结构强度作出实时评估，因此对数据通信和处理能力要求较高。针对这一问题将系统设计成３个层次４个子系统，并根据每一子系统的作用与特点设计了不同的系统结构形式，该设计能够最大限度地节省有限的计算资源，保障数据通信质量，提高系统运行效率。最后通过实船试验验证了系统运行的可靠性。
关键词：船舶结构；应力监测；强度评估；系统设计
引言
结构安全监测技术兴起于上世纪70年代，利用无损传感技术通过包括结构响应在内的结构系统特性分析达到监测结构安全性的目的，最早应用于土木工程领域，随着该技术的不断发展与完善，逐渐在船舶结构安全性研究领域应用。由于波浪中航行的船舶结构受力复杂，而设计载荷有别于真实载荷，因此为了保证航行状态下的船舶安全，需要一套系统对船体结构受力状态进行实时监测和结构强度评估。
1.系统体系结构
为保证系统运行的可靠性、实时性和实用性，设计时将整个系统分为３个层次４个子系统，软件开发采用模块化编程，各模块间以固定格式进行数据传输，并通过数据库对系统内的所有信息进行统一管理，从而保证数据传输的高效性和稳定性。系统体系结构如图 １ 所示。
第 1 层为系统层，主要由采集系统、通信系统、控制系统、数据库系统等构成，通过调用应用层功能函数访问支撑层进行硬件控制或数据读取来实现各子系统的主要功能。
第 2层为应用层，由应力采集模块、海浪采集模块、状态监测模块、数据处理模块、强度评估模块、实时数据库、历史数据库、信息数据库、评估数据库、串口卡和网卡组成，这一层主要完成信号获取、传输和数据存储、处理，为系统层的功能实现提供服务。
第 3 层为支撑层，其作用是为应用层各模块提供软、硬件及理论方法和数据的支撑，进而实现系统层的主要功能。
2.船舶与工程结构极限强度分析
船舶与工程结构极限强度的计算是最复杂、计算量最大的一部分，它包含多种三维结构构件，崩溃形式也包含塑性变形和构件屈曲的多种形式组合，所以说有限元分析计算是获得船体模块极限强度最精确的一种方法。然而这种方法计算量非常庞大，费用高。所以这种方法很少被应用在实际中，现如今运用最多的还是传统的逐步破坏法。通过分析逐步破坏法可以得到，在整个船体模块中，存在一个相邻横向钢架之间的临界分段，由于它的破坏就会把船体结构的极限强度合理的简化为计算船体某一部分的极限强度，即可以简化运算又能保证计算结果的准确性。
逐步破坏分析法，船舶与工程结构的崩溃是一个极其复杂的过程，要想得到它的精确值那是不可能的，这就需要我们采取简化和近似的方法来进行计算。我们主要运用有限元法，也就是我们所说的逐步破坏分析法来进行有限元的模拟分析，得出加筋板单元的应力-应变曲线，然后通过逐步破坏法计算整体结构的极限强度。它的基本流程包括分段模型的建立和分段基本假定，我们对船体模块每次只需考虑一个分段，只需要对其中承受较大荷载的分段进行分析，通过试验分析得到，最先崩溃的总是临界分段的加筋板单元。船体板的屈曲破坏是非弹性屈曲，所以纵向极限强度分析的主要任务还是对加筋板单元在强制的面内进行非线性大挠度的分析。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆不管是何种方式的弯曲率关系，在不影响计算精度的情况下可以做如下的假定：（1）平面假定；（2）框架间的板格发生压缩弯曲；（3）船体整体失稳临界应力高于框架间的梁-柱崩溃应力；（4）加强进的侧倾临界应力也高于框架间的梁-柱崩溃应力。
逐步破坏法的计算流程，首先要对箱型梁结构的主要承载构件加筋板单元进行分析，确定单元的应力-应变曲线，然后通过人为加载方式对船体横断面进行分布加载，直至破坏。通过叠加从而得到整个船体中剖面的弯矩-曲率曲线，进而确定总体的极限强度。逐步破坏法的计算流程主要包括休斯法和有限元法。
休斯法：计算结构的极限强度时，结构的加筋板单元的应力-应变关系主要有修斯公式来完成。通过中拱情况计算和中垂情况计算来获得总极限弯矩，其计算流程是划分单元--确定所有单元的应力-应变关系--选取船体梁初始曲率--计算当前每个单元相应的应变--建立整体断面的力平衡方程，确定当前中和轴的准确位置--叠加所有单元对瞬时中和轴的弯矩的当前应变下断面的总弯矩--得到极限弯矩。
有限元法：基于简单非线性有限元分析的逐步破坏分析法，相对于休斯法来说就是对加筋板单元的应力-应变曲线的计算采用的是有限元法，步骤和休斯法完全相同。它是在合理边界条件下，综合考虑几何和材料非线性的影响，通过对其中一段人为加载不断增大荷载直至破换的一种方式，最终得出加筋板单元的应力-应变关系。
3 加筋板单元的休斯法分析
结构上我们可以把船舶与海洋工程结构物看成是由大量加筋板组成的箱型梁结构。加筋板指的是加强筋及其带板所组成的构件，在抵抗荷载作用时起着至关重要的作用。然而现在的大部分船舶都是纵骨架式结构，它的极限强度及排列形式也决定着整个船体的抗弯能力。其中加强板单元在设计时必须具有以下的要求：首先要保证具有足够的强度、刚度和稳定性；符合生产与工艺方面的要求；满足特殊结构与营运使用的要求；最后剖面内材料分布要合理，尽可能减轻架构的重量。
船舶与海洋工程等箱型梁结构中的加筋板单元主要受三种基本荷载的作用，一种是加筋板反向弯曲的侧向荷载；一种是引起加筋板单元正想弯曲的侧向荷载，还有一种是纵向荷载。加筋板单元主要有以下四种崩溃模式（1）带板压缩失效（2）加强筋弯曲失效（3）加强筋侧向扭转时效（4）总体板格破坏时效。
加筋板单元应力-应变关系曲线主要有三种：（1）受拉加筋板单元应力-应变关系曲线；（2）受压加筋板单元应力-应变关系曲线；（3）角单元应力-应变关系曲线服从胡克定律，达到塑性阶段后，加筋板的强度值保持为屈服应力。受压过程中，加筋板的极限强度值可以将压缩行分为单个阶段，即稳定区、非卸载区和卸载区。
必须指出，有一些加筋板单元，因为其加强筋可能与带板具有不同的弹性模量，而出现极限应变值小而极限应力值大的情况，因此预报崩溃的模式必须基于盈利的极限值而不是应变，这是出于保守考虑最坏的情况。
4.结语
对船舶结构应力监测与强度评估系统进行了设计，该设计能够最大限度地节省有限的系统资源，同时能够高效地处理大量数据信息，通过实船试验验证了系统运行的可靠性，从而实现船体结构应力的实时监测与强度评估，为决策者提供真实可靠的实时信息，提高船舶营运过程中的安全性。
参考文献：
[1]贾连徽．船舶运动与应力实时监测系统的研究与开发［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011．
[2]张岚． 基于 FBG技术的散货船结构监测传感器布置研究［D］．武汉：武汉理工大学，2008．
论文作者:郭瑞
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/13
标签：应力论文; 结构论文; 船体论文; 强度论文; 单元论文; 应变论文; 船舶论文; 《基层建设》2017年第23期论文;