基于FBG傳感的水下潛器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究

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(海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

水下潛器在執(zhí)行任務(wù)中，常常伴隨有深潛和上浮，這對于水下潛器耐壓殼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求極高；同時(shí)，由于海洋環(huán)境腐蝕等因素，耐壓殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全儲備下降，結(jié)構(gòu)安全性下降?；诖耍瑥S會在水下潛器執(zhí)行任務(wù)前進(jìn)行相應(yīng)的勘驗(yàn)和修理。但耐壓殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修、施工困難，難以避免隱患的存在。因此，研制能對耐壓殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測的設(shè)備及系統(tǒng)對于提高水下潛器航行安全性至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測常常使用應(yīng)變片等機(jī)電類傳感器，但這類傳感器難以避免會有溫漂、零漂等問題且不能滿足水下潛器深潛的需要。而新型光纖光柵傳感器(FBG)溫漂、零漂問題較小，且其網(wǎng)絡(luò)能夠測知材料和結(jié)構(gòu)中很苛刻的參數(shù)，容易實(shí)現(xiàn)多傳感探頭的密集波分復(fù)用[1-2],并且具有抗電磁干擾、質(zhì)量輕、耐溫性好(工作溫度上限達(dá)400 ℃以上)、傳輸距離遠(yuǎn)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，更重要的是它能實(shí)現(xiàn)水下全光化的傳感，并在光纖共享、結(jié)構(gòu)尺寸和接口方式等與現(xiàn)有的光纖水聽器陣列有很好的兼容性。所以，采用FBG通過監(jiān)測水下應(yīng)變實(shí)現(xiàn)水下結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一個十分可行的途徑[6]。應(yīng)變是能夠很好地反映結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)[7-8]，運(yùn)用光纖光柵傳感技術(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行測量，從而實(shí)時(shí)反映局部結(jié)構(gòu)受力特征，便于結(jié)構(gòu)安全評價(jià)與損傷定位。

1 光纖光柵技術(shù)及其在水下潛器上的應(yīng)用

光纖光柵傳感器(fiber grating sensor,FGS)屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格(Bragg)波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器[9]，見圖1。

圖1 FBG傳感原理

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡，其光學(xué)性質(zhì)又受控于外界環(huán)境物理量，從而構(gòu)成了光纖光柵傳感器。

當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光入射到光纖中時(shí)，光柵會有選擇地反射一個窄帶光，其余寬帶光繼續(xù)透射，在下一個具有不同中心波長的光纖光柵處反射。

反射光的中心波長λB為

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff——光柵區(qū)的有效折射率；

Λ——布拉格光柵的周期。

Bragg光柵的反射譜主要由其帶寬和峰值反射率決定，而這些參數(shù)又是光柵長度、折射率調(diào)制系數(shù)等參數(shù)的函數(shù)。任何使這些參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移。建立并標(biāo)定光纖光柵中心波長的變化與被測量間的關(guān)系，即可由光纖Bragg中心波長的變化獲得被測量。

當(dāng)傳感器外界溫度、應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，光纖Bragg中心波長發(fā)生漂移，可表示為

ΔλB=2neffΔΛ+2ΛΔneff

(2)

其中,溫度場恒定時(shí)，應(yīng)變影響B(tài)rag波長是由光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起的，對應(yīng)關(guān)系為

ΔλB=ε(1-Pe)λB

(3)

式中：Pe——光纖的彈光系數(shù)。

可見，在溫度場恒定時(shí)，光纖Bragg光柵的波長漂移與應(yīng)變變化成線性關(guān)系，故可以通過測量波長漂移的變化實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變的測量。

水下潛器在深潛過程中，耐壓殼體會受到靜水壓力的作用產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，從而引起附著在殼體表面的光纖光柵傳感器光柵周期改變，同時(shí)會改變有效折射率，進(jìn)而會改變光纖光柵中心波長漂移。由式(3)，通過測量波長漂移的變化實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變的測量，進(jìn)而由胡克定律求出結(jié)構(gòu)應(yīng)力，公式如下。

1)對于單向應(yīng)力狀態(tài)

σ=Eε

(4)

2)對于雙向應(yīng)力狀態(tài)

(5)

(6)

2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件設(shè)備和軟件結(jié)構(gòu)兩個方面。在硬件結(jié)構(gòu)中，采取多通道傳輸方式，即根據(jù)初始中心波長將多個傳感器串聯(lián)在同一條光纖線纜上，將每個傳感器串組成的通道集合到數(shù)據(jù)收發(fā)器，從而形成監(jiān)測現(xiàn)場的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為避免次峰和伴模對傳感器網(wǎng)絡(luò)分析儀的干擾，應(yīng)在同一通道中選擇反射率相近的FBG，且傳感器反射率應(yīng)大于90%[10]，以減少噪聲影響。在軟件結(jié)構(gòu)中，宜采取多線程模式，及時(shí)采集和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，節(jié)省采集時(shí)間。

水下潛器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組成及工作流程見圖2。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)流程示意

FBG傳感子系統(tǒng)：應(yīng)用先進(jìn)的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)，通過各種不同功能的FBG傳感器，將被測的物理量轉(zhuǎn)變成便于記錄及再處理的光信號。由于從傳感器輸出的信號為光信號，所以可以直接通過光纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

1)數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)。包括安裝在水下潛器表面的FBG傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀和光纜傳輸系統(tǒng)，通過光纜傳輸系統(tǒng)將傳感信息傳輸?shù)紽BG傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀上，并以波長的方式在計(jì)算機(jī)終端顯示、記錄存貯在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)信號處理與管理子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要功能是收集采集系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)，并在解調(diào)軟件中進(jìn)行設(shè)置，通過數(shù)據(jù)接口將光纖光柵解調(diào)儀與水下潛器結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。并采用濾噪方法，對結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，達(dá)到消噪的目的。

3)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估子系統(tǒng)。評估被監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀態(tài)，分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲備，評估結(jié)構(gòu)的可靠度。

整個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的作用是對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行診斷，通過傳感器對結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，得到測試數(shù)據(jù)后，先完成數(shù)據(jù)處理，再結(jié)合數(shù)值模擬分析對結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷，分析結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的損傷，最后對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，確定維修保養(yǎng)策略。

FBG應(yīng)變傳感器通過點(diǎn)焊固定工藝固定于水下潛器耐壓殼體表面。測點(diǎn)應(yīng)遍布全船結(jié)構(gòu)最弱或應(yīng)力最大的部位。同時(shí)，布置既要考慮力學(xué)性能，又要考慮實(shí)船建造質(zhì)量復(fù)查和使用中所出現(xiàn)的問題。

傳感器主要包括兩部分：一部分是典型片，即布置于應(yīng)力計(jì)算結(jié)果較大的各典型部位；另一部分是安全監(jiān)控片，主要是根據(jù)勘驗(yàn)、厚度測量及返修情況所確定的部位。

光纖光珊應(yīng)變片用纖焊方法固定。在Ⅱ艙設(shè)應(yīng)變應(yīng)力監(jiān)測站，安放監(jiān)測裝置。對船外各貼片區(qū)采用防水密封處理，并將測量導(dǎo)線用專用防海水塑料軟包線包覆，穿過位于Ⅱ艙的通舷外電纜的水密裝置進(jìn)于耐壓船體內(nèi)部。各艙室內(nèi)部的測量導(dǎo)線穿過特制的水密接頭逐步過渡到應(yīng)變監(jiān)測站與數(shù)字應(yīng)變儀連接。

另外，由于光纖光柵傳感器易碎、抗沖擊能力差，在施工布點(diǎn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)。

3 水下潛器耐壓殼結(jié)構(gòu)分析及主要監(jiān)測內(nèi)容

由于經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)等方面的原因，在整個水下潛器所有自由度上安置傳感器是不可能的，因此，就出現(xiàn)了傳感器的優(yōu)化布設(shè)問題。通過盡可能少的傳感器來獲取最可靠最有效的水下潛器健康狀況信息，就是優(yōu)化布設(shè)的目的。

在選取測點(diǎn)前，應(yīng)具體分析水下潛器全船結(jié)構(gòu)最弱或應(yīng)力最大部位，對結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)雜區(qū)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，確保全船安全可靠性。同時(shí)，測點(diǎn)位置需要綜合考慮施工、維修便利性，且測量數(shù)據(jù)能與相應(yīng)理論計(jì)算或仿真計(jì)算相比較。

基于此，運(yùn)用艦艇強(qiáng)度理論，對全艇耐壓殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步力學(xué)計(jì)算分析。由于艏艉端球面艙壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)用有限元軟件對其進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。根據(jù)計(jì)算及分析結(jié)果，選定“熱點(diǎn)”區(qū)域，對一些“熱點(diǎn)”位置的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，為水下潛器指揮員的操縱提供技術(shù)依據(jù)。

3.1 耐壓船體強(qiáng)度理論計(jì)算

水下潛器耐壓船體強(qiáng)度理論計(jì)算主要包含以下部位應(yīng)力：錐柱結(jié)合部位應(yīng)力、斜錐殼板跨中中面周向應(yīng)力、斜錐殼板跨端內(nèi)表面縱向應(yīng)力、錐殼肋骨應(yīng)力、柱殼肋骨應(yīng)力、圓柱殼跨端內(nèi)表面縱向應(yīng)力、圓柱殼跨中中面周向應(yīng)力及球面膜應(yīng)力等。

按應(yīng)力飽和度(與許用應(yīng)力的比值)計(jì)算各艙室部位應(yīng)力，結(jié)果見表1。

另外，一艙二艙球面艙壁膜應(yīng)力飽和度s=0.670 987。

為保障結(jié)構(gòu)安全，在此規(guī)定：對于應(yīng)力飽和度計(jì)算值s≥0.70位置，均需進(jìn)行實(shí)船監(jiān)測。其它監(jiān)測位置則根據(jù)實(shí)船具體工況確定。

在監(jiān)測過程中，首先將各測點(diǎn)處的應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值進(jìn)行比較，從而判斷該部位是否因使用過程中腐蝕或維修等因素，造成該部位的強(qiáng)度降低，如果出現(xiàn)了強(qiáng)度降低，則需要對該部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。其次將各測點(diǎn)處的應(yīng)力與相關(guān)規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力進(jìn)行比較，從而判斷是否可以繼續(xù)安全使用。

表1 各艙室部位應(yīng)力飽和度s

3.2 復(fù)雜應(yīng)力區(qū)的有限元建模與分析

由于艏艉端球面艙壁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以對其進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算分析，掌握其應(yīng)力分布特點(diǎn)，為該區(qū)域傳感器優(yōu)化布設(shè)提供力學(xué)基礎(chǔ)。

采用MSC/Nastran有限元分析軟件對艏艉端球面艙壁進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,圖3、圖4為有限元計(jì)算模型網(wǎng)格圖，圖5、圖6為其應(yīng)力分布云圖。

圖3 艏端球面艙壁

圖4 艉端球面艙壁

圖5 艏端球面艙壁應(yīng)力分布

圖6 艉端球面艙壁應(yīng)力分布

根據(jù)有限元分析結(jié)果，計(jì)算模型艏、艉環(huán)形殼體連接處的應(yīng)力飽和度：

s艏=0.767 697≥0.7s艉=0.795 613≥0.7

且該環(huán)形殼體連接處為計(jì)算模型的最大應(yīng)力位置。

因此，需要對環(huán)形殼體連接處進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。布設(shè)位置需根據(jù)實(shí)船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工要求確定。

4 結(jié)論

本文的理論分析及數(shù)值仿真計(jì)算能為水下潛器上FBG傳感器的初步優(yōu)化布設(shè)提供力學(xué)指導(dǎo)，文中闡述的監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成對實(shí)船安全監(jiān)測具有一定的借鑒作用。但將FBG傳感器運(yùn)用于大型水下潛器還需考慮施工及維修要求，特別是FBG傳感器易碎、抗沖擊能力差，在施工布點(diǎn)時(shí)的保護(hù)措施應(yīng)重點(diǎn)研究。因此，對于實(shí)船安裝工藝還需進(jìn)一步分析。

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