徐海秋 王曉俠 陳志堅(jiān) 艾海峰 夏齊強(qiáng)

1海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北 武漢 430033

2江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 200015

建造中的船體在船臺(tái)上的應(yīng)力松馳現(xiàn)象研究

徐海秋1王曉俠2陳志堅(jiān)1艾海峰1夏齊強(qiáng)1

1海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北 武漢 430033

2江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 200015

為得到建造中的船體在船臺(tái)上的船體變形數(shù)據(jù)，基于FBG技術(shù)設(shè)計(jì)了船體在船臺(tái)上的蠕變和應(yīng)力松馳現(xiàn)象的監(jiān)測系統(tǒng)，將該系統(tǒng)布置在實(shí)際船體結(jié)構(gòu)上，測量了在船臺(tái)上受結(jié)構(gòu)蠕變和結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)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(jìn)行船體變形長期監(jiān)測是可行的；船體在船臺(tái)上存在結(jié)構(gòu)蠕變和應(yīng)力松馳現(xiàn)象。最后，并基于殼體理論估算了船臺(tái)上的船體結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力釋放速率。

FBG；船體變形；結(jié)構(gòu)蠕變；應(yīng)力松弛

1 引言

材料力學(xué)認(rèn)為在受載零件里產(chǎn)生的應(yīng)變與應(yīng)力隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象為蠕變。機(jī)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(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間的延長而逐漸降低稱之為應(yīng)力松馳［1］。蠕變和應(yīng)力松馳是船舶工程中的一種常見的力學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)一艘船舶在船臺(tái)擱置較久時(shí)，即使不對(duì)船舶進(jìn)行任何影響船舶總載荷和船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的施工，船體往往也會(huì)發(fā)生變形，這種變形本質(zhì)上符合蠕變和應(yīng)力松馳的定義，實(shí)質(zhì)上是船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)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(jì)算。主船體結(jié)構(gòu)形成后在船臺(tái)上的時(shí)間都在數(shù)月以上，在這樣的一個(gè)長時(shí)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(yīng)力松馳的綜合作用。這種作用所造的變形會(huì)對(duì)某些對(duì)船體相對(duì)位置要求嚴(yán)格的大型設(shè)備的安裝與工作造成影響，如軸系對(duì)中等。因此，了解船臺(tái)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(yīng)力松馳所造成的變形是非常重要的。

對(duì)蠕變和應(yīng)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(jī)械零部件方面［2-6］，由于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和大型化的特點(diǎn)，船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力松馳研究還是空白，武漢理工大學(xué)的張嵐和侯超對(duì)FBG技術(shù)的船體健康監(jiān)測進(jìn)行了探索，但是并未結(jié)合實(shí)船設(shè)計(jì)出傳感系統(tǒng)的布置方案［7-8］；基于FBG傳感器進(jìn)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(duì)一般有人操縱的水下航行體的蠕變和應(yīng)力松馳綜合作用進(jìn)行了監(jiān)測，獲得了一些建造中的船體在船臺(tái)上的變形數(shù)據(jù)，對(duì)建造中的船體在船臺(tái)上的船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力松馳進(jìn)行研究。

2 測試原理

船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力松馳的特點(diǎn)是在一個(gè)較長時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象，對(duì)船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力松馳的測試是一個(gè)長時(shí)間的過程。在這樣一個(gè)較長的時(shí)間段內(nèi)，測試系統(tǒng)會(huì)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(yīng)力松馳的系統(tǒng)必須具有無零點(diǎn)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(yīng)力松馳造成的變形是一個(gè)較小的量，所采用的測試系統(tǒng)必須靈敏度高、精度高，達(dá)到με量級(jí)。

以FBG傳感技術(shù)為核心采用溫度補(bǔ)償技術(shù)構(gòu)成的測試系統(tǒng)能滿足上述要求，可用于對(duì)船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力松馳綜合作用所造成的變形進(jìn)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(dāng)光束經(jīng)過中心波長為λB的未變形光柵時(shí)，會(huì)有波長λB的單色光反射回來，當(dāng)光柵具有應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟茸兓瘯r(shí)，反射光的波長會(huì)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(yīng)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(yīng)變。

設(shè)僅有溫度作用而無應(yīng)變時(shí)的中心波長偏移量為Δλ1T、僅有應(yīng)變作用而無溫度變化的中心波長偏移量為Δλε、溫度和應(yīng)變復(fù)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(shè)計(jì)測試船體結(jié)構(gòu)蠕變和船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力松馳所造成的變形測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)無零點(diǎn)漂移、不受電磁和電流變化干擾。

測試傳感器布置在有預(yù)應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力）的結(jié)構(gòu)上，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力保持不變時(shí)，所測試到的應(yīng)變值應(yīng)是蠕變所造成；如內(nèi)應(yīng)力消失，所測試到的應(yīng)變應(yīng)是應(yīng)力松馳所造成。對(duì)于在船臺(tái)上的船體，任何時(shí)候，船體重力始終和船臺(tái)反力相平衡。船體重力和船臺(tái)反力對(duì)船臺(tái)上的船體結(jié)構(gòu)形成載荷，在船體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力是始終作用在船體上的，不會(huì)隨時(shí)間的延長而松馳或消失，我們稱其為“固有應(yīng)力”。焊接施工、設(shè)備安裝等因素，亦會(huì)對(duì)船臺(tái)上的船體造成加載，在船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成應(yīng)力，我們簡稱之為加工應(yīng)力。船體結(jié)構(gòu)是一種有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，其預(yù)應(yīng)力由“固有應(yīng)力”和加工應(yīng)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(yīng)變應(yīng)是“固有應(yīng)力”造成的蠕變和加工應(yīng)力的應(yīng)力松馳造成的變形之和。設(shè)“固有應(yīng)力”所造成的應(yīng)變?yōu)棣臛、加工應(yīng)力松馳所造成的應(yīng)變?yōu)棣臜、應(yīng)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(shè)計(jì)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(yīng)力松馳測試是一個(gè)復(fù)雜的工程，系統(tǒng)安裝在實(shí)船上時(shí)，需經(jīng)過眾多的艙壁從而對(duì)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(shè)計(jì)。因測試是在施工過程中進(jìn)行且時(shí)間很長，為避免施工對(duì)測試網(wǎng)絡(luò)造成破壞，系統(tǒng)中對(duì)傳感器及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了保護(hù)設(shè)計(jì)。

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(yīng)力松馳測試數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)測試時(shí)間，船體建造施工停止進(jìn)行：不進(jìn)行設(shè)備安裝，不進(jìn)行焊接施工和其他任何施工，保證船臺(tái)上的船體結(jié)構(gòu)總重力無變化。

測試時(shí)間總跨度為20 h，測試中取20個(gè)測點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。定時(shí)開機(jī)測試及保存數(shù)據(jù)。以3種模式進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄：傳感器波長編碼數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存、傳感器中心波長數(shù)據(jù).mdp格式保存、傳感器瞬時(shí)光譜圖形模式保存。共進(jìn)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(shí)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(shí)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(gè)時(shí)間點(diǎn)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(yīng)變成正比，所以從波長變化曲線就可以看出應(yīng)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(gè)位數(shù)量級(jí)波動(dòng)，這反映了環(huán)境振動(dòng)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(dá)到pm的十位數(shù)量級(jí)，此時(shí)反映了蠕變和應(yīng)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(yīng)變

按式（4）獲得獲得船體結(jié)構(gòu)應(yīng)變，取笫1次測試時(shí)船體狀態(tài)為基準(zhǔn)狀態(tài)，即零應(yīng)變狀態(tài)，則有第2次、第3次時(shí)刻船體結(jié)構(gòu)相對(duì)于第1次測試所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的應(yīng)變以及3次測試時(shí)刻所對(duì)應(yīng)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(yīng)該無應(yīng)變發(fā)生，但經(jīng)過了一定時(shí)間后，船體結(jié)構(gòu)卻發(fā)生了應(yīng)變，且這個(gè)應(yīng)變隨時(shí)間的延長而增長，20 h后，竟達(dá)到了45 με量級(jí)。這說明船臺(tái)上的船體結(jié)構(gòu)有蠕變和結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力松馳現(xiàn)象發(fā)生。

表1 21號(hào)、18號(hào)傳感器數(shù)據(jù)

4.2 應(yīng)力松馳估算

注意到蠕變發(fā)生通常需要較長時(shí)間，上述測試時(shí)間間隔僅有20 h，因此可認(rèn)為在這個(gè)期間內(nèi)的船體蠕變?yōu)榱?，從而?所示應(yīng)變可視為應(yīng)力松馳（即內(nèi)應(yīng)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(yīng)力計(jì)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(jì)算應(yīng)力松馳。對(duì)于水下航行體，設(shè)計(jì)師主要關(guān)心σ1和σ2，因此有如下應(yīng)力松馳估算公式：

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

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

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

由表2可以看出，當(dāng)應(yīng)力各方向均勻釋放時(shí)，經(jīng)過20個(gè)小時(shí)，21號(hào)傳感器位置所釋放的應(yīng)力可達(dá)到 13.243 MPa。

表2 應(yīng)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(jìn)行船體變形長時(shí)監(jiān)測是可行的。船體在船臺(tái)上存在結(jié)構(gòu)蠕變和應(yīng)力松馳現(xiàn)象，在20 h內(nèi)，船體在船臺(tái)上最大可釋放13.243 MPa的內(nèi)應(yīng)力。船體在船臺(tái)上受船體結(jié)構(gòu)蠕變和應(yīng)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(huì)對(duì)重要設(shè)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(xué)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(xué)。E-mail：bennaoke＠126.com