建造中的船體在船臺上的應力松馳現(xiàn)象研究

徐海秋 王曉俠 陳志堅 艾海峰 夏齊強

1海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢 430033

2江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 200015

建造中的船體在船臺上的應力松馳現(xiàn)象研究

徐海秋1王曉俠2陳志堅1艾海峰1夏齊強1

1海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢 430033

2江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 200015

為得到建造中的船體在船臺上的船體變形數(shù)據(jù)，基于FBG技術(shù)設計了船體在船臺上的蠕變和應力松馳現(xiàn)象的監(jiān)測系統(tǒng)，將該系統(tǒng)布置在實際船體結(jié)構(gòu)上，測量了在船臺上受結(jié)構(gòu)蠕變和結(jié)構(gòu)應力松馳現(xiàn)象綜合作用所造成的船體結(jié)構(gòu)變形，分析了監(jiān)測過程中造成船體結(jié)構(gòu)變形的因素，指出應力松馳是主要因素。數(shù)據(jù)分析表明：利用FBG傳感技術(shù)進行船體變形長期監(jiān)測是可行的；船體在船臺上存在結(jié)構(gòu)蠕變和應力松馳現(xiàn)象。最后，并基于殼體理論估算了船臺上的船體結(jié)構(gòu)的內(nèi)應力釋放速率。

FBG；船體變形；結(jié)構(gòu)蠕變；應力松弛

1 引言

材料力學認為在受載零件里產(chǎn)生的應變與應力隨時間而變化的現(xiàn)象為蠕變。機械零部件在高溫和承受載荷的條件下，若保持總的變形量不變時，應力隨時間的延長而逐漸降低稱之為應力松馳［1］。蠕變和應力松馳是船舶工程中的一種常見的力學現(xiàn)象。當一艘船舶在船臺擱置較久時，即使不對船舶進行任何影響船舶總載荷和船舶結(jié)構(gòu)強度的施工，船體往往也會發(fā)生變形，這種變形本質(zhì)上符合蠕變和應力松馳的定義，實質(zhì)上是船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)內(nèi)應力松馳的綜合表現(xiàn)。船舶的建造周期，一般要以年為單位來計算。主船體結(jié)構(gòu)形成后在船臺上的時間都在數(shù)月以上，在這樣的一個長時間段里，船體結(jié)構(gòu)不可避免地要受到船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)內(nèi)應力松馳的綜合作用。這種作用所造的變形會對某些對船體相對位置要求嚴格的大型設備的安裝與工作造成影響，如軸系對中等。因此，了解船臺上的船體結(jié)構(gòu)所受到的船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)內(nèi)應力松馳所造成的變形是非常重要的。

對蠕變和應力松馳的研究，多集中在高溫狀態(tài)下單一材料和由單一材料組成的機械零部件方面［2-6］，由于船體結(jié)構(gòu)的復雜性和大型化的特點，船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應力松馳研究還是空白，武漢理工大學的張嵐和侯超對FBG技術(shù)的船體健康監(jiān)測進行了探索，但是并未結(jié)合實船設計出傳感系統(tǒng)的布置方案［7-8］；基于FBG傳感器進行結(jié)構(gòu)變形測量在國外也有相關(guān)研究［9-10］。本文采用FBG傳感技術(shù)對一般有人操縱的水下航行體的蠕變和應力松馳綜合作用進行了監(jiān)測，獲得了一些建造中的船體在船臺上的變形數(shù)據(jù)，對建造中的船體在船臺上的船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應力松馳進行研究。

2 測試原理

船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應力松馳的特點是在一個較長時間段內(nèi)發(fā)生的力學現(xiàn)象，對船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應力松馳的測試是一個長時間的過程。在這樣一個較長的時間段內(nèi)，測試系統(tǒng)會受到許多不利因素的作用，如電磁干擾、電流電壓變化和環(huán)境溫度變化以及腐蝕等。因此測試船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應力松馳的系統(tǒng)必須具有無零點漂移、耐腐蝕、抗電磁干擾以及不受溫度影響的特性。此外，船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應力松馳造成的變形是一個較小的量，所采用的測試系統(tǒng)必須靈敏度高、精度高，達到με量級。

以FBG傳感技術(shù)為核心采用溫度補償技術(shù)構(gòu)成的測試系統(tǒng)能滿足上述要求，可用于對船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應力松馳綜合作用所造成的變形進行監(jiān)測。FBG技術(shù)的核心技術(shù)是光纖光柵。光纖材料是耐腐蝕的石英晶體材料。將一束窄帶光射入光纖，當光束經(jīng)過中心波長為λB的未變形光柵時，會有波長λB的單色光反射回來，當光柵具有應變ε和溫度變化時，反射光的波長會發(fā)生ΔλB的偏移。 光纖光柵的溫度靈敏度 ST為［11］：

式中，α是光纖的熱膨脹系數(shù)；ξ是光纖材料的熱光系數(shù) （折射率隨溫度的變化率）；ΔλB是光纖光柵的波長偏移量；ΔT是溫度變化量。

光纖光柵的應變靈敏度ST為：

式中，Pe是光纖材料的彈光系數(shù)；ε是FBG受外界因素作用產(chǎn)生的應變。

設僅有溫度作用而無應變時的中心波長偏移量為Δλ1T、僅有應變作用而無溫度變化的中心波長偏移量為Δλε、溫度和應變復合作用產(chǎn)生的中心波長偏移量為Δλ1，則

將式（3）代入式（2），即有：

依據(jù)式（4）設計測試船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應力松馳所造成的變形測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)無零點漂移、不受電磁和電流變化干擾。

測試傳感器布置在有預應力（內(nèi)應力）的結(jié)構(gòu)上，當內(nèi)應力保持不變時，所測試到的應變值應是蠕變所造成；如內(nèi)應力消失，所測試到的應變應是應力松馳所造成。對于在船臺上的船體，任何時候，船體重力始終和船臺反力相平衡。船體重力和船臺反力對船臺上的船體結(jié)構(gòu)形成載荷，在船體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成應力。這個應力是始終作用在船體上的，不會隨時間的延長而松馳或消失，我們稱其為“固有應力”。焊接施工、設備安裝等因素，亦會對船臺上的船體造成加載，在船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成應力，我們簡稱之為加工應力。船體結(jié)構(gòu)是一種有預應力的結(jié)構(gòu)，其預應力由“固有應力”和加工應力構(gòu)成。通常，布置在船體結(jié)構(gòu)上的傳感器系統(tǒng)，所測得的應變應是“固有應力”造成的蠕變和加工應力的應力松馳造成的變形之和。設“固有應力”所造成的應變?yōu)棣臛、加工應力松馳所造成的應變?yōu)棣臜、應變測試值為 ε，則

3 測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集

3.1 測試系統(tǒng)

依據(jù)式（4）的原理制作光纖光柵傳感器，以該傳感器為核心設計制造測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)的組成與安裝如圖1所示。船體結(jié)構(gòu)蠕變和應力松馳測試是一個復雜的工程，系統(tǒng)安裝在實船上時，需經(jīng)過眾多的艙壁從而對艙壁的水密性造成影響，系統(tǒng)中所使用的杯形管節(jié)就是為保證艙壁的水密性而設計。因測試是在施工過程中進行且時間很長，為避免施工對測試網(wǎng)絡造成破壞，系統(tǒng)中對傳感器及網(wǎng)絡進行了保護設計。

3.2 測試工況描述及典型測試結(jié)果

為獲得船體結(jié)構(gòu)蠕變和應力松馳測試數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)測試時間，船體建造施工停止進行：不進行設備安裝，不進行焊接施工和其他任何施工，保證船臺上的船體結(jié)構(gòu)總重力無變化。

測試時間總跨度為20 h，測試中取20個測點，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。定時開機測試及保存數(shù)據(jù)。以3種模式進行數(shù)據(jù)記錄：傳感器波長編碼數(shù)據(jù)實時保存、傳感器中心波長數(shù)據(jù).mdp格式保存、傳感器瞬時光譜圖形模式保存。共進行了3次測試，每次測試均分別從傳感器的兩端入射測試激光以獲得波長偏移數(shù)據(jù)。第二次數(shù)據(jù)采集距第一次采集時間相差2.6 h，第三次數(shù)據(jù)采集距第一次數(shù)據(jù)采集時間為20.2 h，典型測試結(jié)果如圖2～圖6所示。

圖3～圖6是兩傳感器在3個時間點間隔的3 min中心波長變化曲線。從式（4）可以看出，F(xiàn)BG傳感器波長變化與應變成正比，所以從波長變化曲線就可以看出應變的變化趨勢。由圖3～圖6可以看出：本測試系統(tǒng)所采用的傳感器具有良好的精度及靈敏度。中心波長的波幅始終在pm的個位數(shù)量級波動，這反映了環(huán)境振動的影響，表明傳感器具有良好的精度；中心波長的波長偏移量達到pm的十位數(shù)量級，此時反映了蠕變和應力松馳造成的變形影響，表明傳感器具有良好的靈敏性。

4 測試數(shù)據(jù)分析

4.1 應變

按式（4）獲得獲得船體結(jié)構(gòu)應變，取笫1次測試時船體狀態(tài)為基準狀態(tài)，即零應變狀態(tài)，則有第2次、第3次時刻船體結(jié)構(gòu)相對于第1次測試所對應時刻的應變以及3次測試時刻所對應的溫度如表1所示。

由表1可見，在3次數(shù)據(jù)采集過程中，船體的外載荷狀態(tài)沒發(fā)生變化，按載荷與變形的關(guān)系，應該無應變發(fā)生，但經(jīng)過了一定時間后，船體結(jié)構(gòu)卻發(fā)生了應變，且這個應變隨時間的延長而增長，20 h后，竟達到了45 με量級。這說明船臺上的船體結(jié)構(gòu)有蠕變和結(jié)構(gòu)內(nèi)應力松馳現(xiàn)象發(fā)生。

表1 21號、18號傳感器數(shù)據(jù)

4.2 應力松馳估算

注意到蠕變發(fā)生通常需要較長時間，上述測試時間間隔僅有20 h，因此可認為在這個期間內(nèi)的船體蠕變?yōu)榱?，從而?所示應變可視為應力松馳（即內(nèi)應力釋放）造成的結(jié)果。

所測試船體結(jié)構(gòu)為薄殼結(jié)構(gòu)，板殼理論薄殼應力計算公式［12］如下：

考慮到傳感器布置位置在肋位跨中，采用無矩理論計算應力松馳。對于水下航行體，設計師主要關(guān)心σ1和σ2，因此有如下應力松馳估算公式：

按兩種應力狀態(tài)估算應力松馳：單向應力狀態(tài)和雙向應力狀態(tài)。應力狀態(tài)的差別，體現(xiàn)了應力松馳造成的應力釋放的模式差別。

1） 當 ε2＝－με1時，σ2＝0，該位置的殼體處于單向應力釋放狀態(tài)；

取彈性模量 E＝2.06×105MPa，泊松比 μ＝0.3。則21號傳感器所在位置的應力松馳估算結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，當應力各方向均勻釋放時，經(jīng)過20個小時，21號傳感器位置所釋放的應力可達到 13.243 MPa。

表2 應力松馳估算結(jié)果

5 結(jié)束語

本文的研究表明：利用FBG傳感技術(shù)進行船體變形長時監(jiān)測是可行的。船體在船臺上存在結(jié)構(gòu)蠕變和應力松馳現(xiàn)象，在20 h內(nèi)，船體在船臺上最大可釋放13.243 MPa的內(nèi)應力。船體在船臺上受船體結(jié)構(gòu)蠕變和應力松馳的綜合作用將造成船體結(jié)構(gòu)變形，這些變形將會對重要設備的安裝和工作造成影響，必須予以足夠的重視。

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Analysis of Stress Relaxation Effects of Ship Hull Constructing in Berth

Xu Hai－qiu1Wang Xiao-xia2Chen Zhi－jian1Ai Hai－feng1Xia Qi－qiang1
1 College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China
2 Military Representative Office in Jiangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 200015，China

In order to get the deformation data of ship hull constructing in berth，F(xiàn)BG－based system was designed to monitor the structural creep and stress relaxation.The monitoring system was installed in an actual hull and test conducted to analyze the factors which likely affect the hull structural deformation.Through measuring the structural deformations of hull in berth due to the combination effects of structure creep and stress relaxation，the major factor that is stress relaxation was verified.Data analysis also show that it is feasible and practicable to monitor the hull deformation for the long－term monitoring using FBG sensors，and validate the existence of the effects of structural creep and stress relaxation in the hull structure in the construction stage.In addition， the release rate of internal stress in ship hull structure was estimated based on the shell theory.

FBG；hull deformation； structural creep； stress relaxation

U661.4

A

1673－3185（2010）05－72－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.05.015

2010－02-12

國家自然科學基金資助（50805055）

徐海秋（1983－），男，碩士研究生。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)力學。E-mail：bennaoke＠126.com