鄭劍，肖英杰，白響恩，陳亮，張浩

(上海海事大學(xué)a.商船學(xué)院;b.航運(yùn)仿真技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201306)

0 引言

船舶纜繩載荷測(cè)量方法是研究船舶纜繩載荷和碼頭纜樁配置的重要應(yīng)用技術(shù)，未來(lái)可作為船舶纜繩載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，并成為港口生產(chǎn)作業(yè)安全保障系統(tǒng)的重要組成部分.近年來(lái)，沿海港口開(kāi)始興建一批配備系纜樁的大型開(kāi)敞式碼頭，這些碼頭所處水域掩護(hù)條件較差，風(fēng)、浪、流條件比較惡劣，船舶系泊時(shí)纜繩載荷大、測(cè)量難度高，給船舶纜繩載荷測(cè)量帶來(lái)新問(wèn)題.

國(guó)外開(kāi)展纜繩載荷測(cè)量的研究較早，在配備快速脫纜鉤碼頭的船舶纜繩載荷測(cè)量上已取得較好進(jìn)展，主要是采用銷(xiāo)軸式傳感器替換脫纜鉤拉板與耳環(huán)套之間的連接銷(xiāo)，使其在承擔(dān)連接作用的同時(shí)進(jìn)行纜繩載荷的間接測(cè)量.［1-2］國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚，但已取得許多成果.田耕［3］發(fā)明一種銷(xiāo)式測(cè)力傳感器及船舶纜繩張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中設(shè)測(cè)力傳感器為脫纜鉤底座與脫纜鉤的連接軸，將傳感器中的傳感元件作為壓力傳感元件設(shè)置在銷(xiāo)軸內(nèi)部.王鳳龍等［4］發(fā)明適用于海洋工程模型試驗(yàn)的可旋轉(zhuǎn)的懸臂式測(cè)力計(jì)及其測(cè)量纜繩拉力的方法，測(cè)力計(jì)由測(cè)力裝置、保護(hù)裝置和數(shù)據(jù)處理裝置組成，其感應(yīng)片與外界接觸，對(duì)測(cè)量環(huán)境適應(yīng)性較好.大連理工大學(xué)海岸和近海國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在大連30 萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭現(xiàn)場(chǎng)，將加速度傳感器安裝在纜繩上測(cè)量30 萬(wàn)噸級(jí)“GRAND KING”輪的纜繩載荷.［5］徐寶富等［6］設(shè)計(jì)一種無(wú)線纜繩張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于工程施工纜繩張力的無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量.邱占芝等［7］針對(duì)大型碼頭系泊的現(xiàn)狀和技術(shù)要求，利用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控每根系纜的張力、護(hù)舷壓縮量和環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制室的系泊自動(dòng)監(jiān)控與可視化、安全預(yù)警和信息的集中管理.馬洪連等［8］采用以S3C2410為核心的嵌入式硬件系統(tǒng)，定制并移植Windows CE 作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，以CAN 總線方式實(shí)現(xiàn)通信，最終實(shí)現(xiàn)船舶系泊監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化.

上述纜繩載荷測(cè)量方法主要是針對(duì)安裝快速脫纜鉤的碼頭和海洋環(huán)境模型試驗(yàn)的需要而設(shè)計(jì)的，難以適用于目前配備系纜樁的碼頭.在纜繩上直接安裝傳感器的測(cè)量方式在工程實(shí)踐中會(huì)妨礙船舶正常的靠離泊作業(yè)，甚至可能由于纜繩載荷過(guò)大使安裝在纜繩上的傳感器發(fā)生損壞而導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)事故，因此直接測(cè)量方式安全風(fēng)險(xiǎn)較大.本文提出一種基于纜樁表面應(yīng)力測(cè)量的船舶纜繩載荷間接測(cè)量方法，以滿(mǎn)足配備系纜樁的碼頭船舶纜繩載荷短時(shí)間的研究性安全測(cè)量需求，為船舶纜繩載荷的測(cè)量及碼頭設(shè)計(jì)研究提供實(shí)際數(shù)據(jù)，還可作為今后船舶纜繩載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的核心技術(shù)之一.

1 測(cè)量原理及結(jié)構(gòu)

當(dāng)船舶系泊在碼頭上時(shí)可能會(huì)受到風(fēng)、流、浪的共同作用而向碼頭外側(cè)移動(dòng)，使系在系纜樁上的纜繩收緊時(shí)產(chǎn)生纜繩載荷.

如圖1 所示，假設(shè)纜繩收緊時(shí)將所受載荷在O 點(diǎn)施加給纜樁，此時(shí)纜樁頂部受到沿纜繩方向的拉力F.將拉力F 分解到纜樁的軸向和徑向，得到軸向載荷F1和徑向載荷F2.F1造成纜樁軸向拉伸變形，F(xiàn)2造成纜樁的彎曲變形，此時(shí)纜樁將產(chǎn)生拉伸與彎曲的組合變形.纜樁表面應(yīng)力由F1引起的拉伸應(yīng)力和F2引起的彎曲應(yīng)力疊加而成.

本文提出的船舶纜繩載荷間接測(cè)量原理是:采用應(yīng)變電測(cè)法測(cè)量纜樁表面的應(yīng)力，建立在纜繩載荷作用下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的理論計(jì)算模型，將纜樁表面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的測(cè)量值和理論計(jì)算模型聯(lián)立方程組，求解得到纜繩載荷軸向和徑向分量值，最終合成所求的纜繩載荷值.

圖1 纜樁結(jié)構(gòu)及受力分析

為配合測(cè)量值和理論計(jì)算模型聯(lián)立方程組，并確保應(yīng)變傳感器能測(cè)量到顯著的纜樁表面應(yīng)變量，將應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)布置在纜樁拉伸變形一側(cè)的纜樁根部，在相同橫截面上共布置2個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)A1和A2(見(jiàn)圖2).

依據(jù)上述原理搭建的基于虛擬儀器技術(shù)的船舶纜繩載荷測(cè)量系統(tǒng)主要由3 部分組成:常溫單軸應(yīng)變計(jì);數(shù)據(jù)采集卡;具有信號(hào)處理、纜繩載荷求解算法、結(jié)果顯示和存儲(chǔ)等功能的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(見(jiàn)圖3).

2 纜樁表面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力理論計(jì)算模型

纜樁主體由柱殼和柱心填料構(gòu)成(見(jiàn)圖1)，柱殼一般采用鑄鋼或鑄鐵，柱心填料采用素混凝土或?yàn)r青混凝土［9］.

圖3 船舶纜繩載荷間接測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 拉伸應(yīng)力計(jì)算

由于纜樁軸向載荷作用線不通過(guò)纜樁軸心，纜樁截面將出現(xiàn)軸向載荷作用不均勻現(xiàn)象.為克服這種受力不均勻現(xiàn)象，將F1附加一個(gè)力偶后平移至軸心(如圖1)，這個(gè)附加力偶的矩為F1對(duì)軸心的矩，即MZ=F1×R，R為纜樁橫截面的半徑.平移之后，F(xiàn)1產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力均勻分布在纜樁橫截面上.

當(dāng)纜樁由F1引起軸向拉伸后，各縱向線段的線應(yīng)變相同，故各測(cè)點(diǎn)由F1引起的拉伸應(yīng)變?chǔ)?均相同，根據(jù)胡克定律，

式中:A1為柱殼橫截面面積;A2為柱心填料橫截面面積;E1為纜樁柱殼的彈性模量;E2為柱心填料的彈性模量.那么，軸向力引起的拉伸應(yīng)力

由式(1)，ε'可以表示為

2.2 彎曲應(yīng)力計(jì)算

F2造成纜樁彎曲變形，且纜樁橫截面上只有對(duì)中性軸z 軸的彎矩作用，由于纜樁的彎曲剛度很大，所產(chǎn)生的彎曲變形很小，由軸向載荷所引起的附加彎矩很小，可略去不計(jì).則纜樁橫截面上的彎矩M為柱殼橫截面上的彎矩M1與柱心填料橫截面上的彎矩M2之和，即

式中:M為F2產(chǎn)生的彎矩與軸向載荷平移產(chǎn)生的彎矩之和，即M=F1R+F2l;l為纜樁受纜繩載荷點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)橫截面的距離.那么，測(cè)點(diǎn)處的彎曲應(yīng)力

式中:y為測(cè)點(diǎn)到z 軸的距離.

因此，測(cè)點(diǎn)處的彎曲應(yīng)力

式中:σ″i為測(cè)點(diǎn)i 處的彎曲應(yīng)力;yi為測(cè)點(diǎn)i 到z 軸的距離.

2.3 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的疊加

在分別計(jì)算測(cè)點(diǎn)F1引起的拉伸應(yīng)力和F2引起的彎曲應(yīng)力后，可用疊加原理［10］求得兩種載荷共同引起的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

3 纜繩載荷值求解

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)器材與裝置

為考慮實(shí)驗(yàn)安全因素，在實(shí)驗(yàn)室模擬纜樁系纜時(shí)的受力狀態(tài)，測(cè)試裝置軟硬件匹配情況，記錄系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)以驗(yàn)證測(cè)量的準(zhǔn)確性.

實(shí)驗(yàn)材料與裝置:實(shí)驗(yàn)纜樁(半徑79.62 mm;柱殼厚度6 mm，彈性模量E1取200 GPa，泊松比0.3;無(wú)柱心填料(此時(shí)E2取0))、破斷力20 kN的船用鋼絲纜、拉力計(jì)(連接在纜繩與絞纜機(jī)之間)、絞纜機(jī)、350 Ω 常溫單軸應(yīng)變計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡(美國(guó)國(guó)家儀器公司NI9237)、計(jì)算機(jī)(見(jiàn)圖4).

圖4 實(shí)驗(yàn)器材及裝置

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用絞纜機(jī)與船用鋼絲纜繩模擬船舶系泊時(shí)的帶纜狀態(tài)，在絞纜機(jī)絞纜產(chǎn)生不同的纜繩拉力時(shí)由船舶纜繩載荷間接測(cè)量系統(tǒng)測(cè)出相應(yīng)數(shù)據(jù)，并與拉力計(jì)直接測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以確定系統(tǒng)的誤差和工作可靠性.實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行，每組進(jìn)行4個(gè)纜繩載荷值的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并使絞纜機(jī)產(chǎn)生持續(xù)一段時(shí)間的穩(wěn)定的纜繩載荷值(見(jiàn)圖5和6中圈出的部分).圖5和6中數(shù)據(jù)的擾動(dòng)是由操作過(guò)程中絞纜機(jī)拉力輸出不連續(xù)造成的，對(duì)本組實(shí)驗(yàn)不造成影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)為穩(wěn)定的纜繩載荷值.

圖6 第2 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)后將船舶纜繩載荷測(cè)量系統(tǒng)和拉力計(jì)直接測(cè)量所測(cè)得的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行誤差對(duì)比分析(見(jiàn)表1).實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:本方法精度較高，誤差在5%以?xún)?nèi);在小載荷下也具有較好的測(cè)量效果，能滿(mǎn)足船舶纜繩載荷測(cè)量的需要.

表1 船舶纜繩載荷測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)船舶纜繩載荷直接測(cè)量方式的缺陷，提出以利用應(yīng)變電測(cè)法的纜樁表面應(yīng)力測(cè)量為基礎(chǔ)，建立纜樁表面應(yīng)力理論計(jì)算模型，將測(cè)量值與理論計(jì)算模型聯(lián)立方程組求解得到纜繩載荷值，實(shí)現(xiàn)對(duì)纜繩載荷的無(wú)接觸測(cè)量.實(shí)驗(yàn)表明，本方法的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性高.船舶纜繩載荷測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，在使用過(guò)程中不會(huì)影響船舶靠離泊作業(yè)及船舶系泊安全，可為船舶纜繩載荷的研究和碼頭設(shè)計(jì)研究提供實(shí)際數(shù)據(jù).

在今后的研究中，可在本文測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，增加考慮船舶因受風(fēng)、浪、流的影響引起的纜繩時(shí)緊時(shí)松所產(chǎn)生的沖擊載荷作用，這種瞬間沖擊作用會(huì)使纜繩張力達(dá)到其靜態(tài)加載張力的1～3 倍.

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