， ，

(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(duì)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(chǔ)備下降，結(jié)構(gòu)安全性下降?；诖?，船廠會(huì)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(duì)耐壓殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的設(shè)備及系統(tǒng)對(duì)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(cè)常常使用應(yīng)變片等機(jī)電類(lèi)傳感器，但這類(lèi)傳感器難以避免會(huì)有溫漂、零漂等問(wèn)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(wèn)題較小，且其網(wǎng)絡(luò)能夠測(cè)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(tīng)器陣列有很好的兼容性。所以，采用FBG通過(guò)監(jiān)測(cè)水下應(yīng)變實(shí)現(xiàn)水下結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一個(gè)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(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)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(píng)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(guò)程是通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格(Bragg)波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器[9]，見(jiàn)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(gè)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(huì)有選擇地反射一個(gè)窄帶光，其余寬帶光繼續(xù)透射，在下一個(gè)具有不同中心波長(zhǎng)的光纖光柵處反射。

反射光的中心波長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)程都將引起光柵Bragg波長(zhǎng)的漂移。建立并標(biāo)定光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化與被測(cè)量間的關(guān)系，即可由光纖Bragg中心波長(zhǎng)的變化獲得被測(cè)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(zhǎng)發(fā)生漂移，可表示為

ΔλB=2neffΔΛ+2ΛΔneff

(2)

其中,溫度場(chǎng)恒定時(shí)，應(yīng)變影響B(tài)rag波長(zhǎng)是由光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起的，對(duì)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(jiàn)，在溫度場(chǎng)恒定時(shí)，光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)漂移與應(yīng)變變化成線性關(guān)系，故可以通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)漂移的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的測(cè)量。

水下潛器在深潛過(guò)程中，耐壓殼體會(huì)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(huì)改變有效折射率，進(jìn)而會(huì)改變光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移。由式(3)，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)漂移的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變的測(cè)量，進(jìn)而由胡克定律求出結(jié)構(gòu)應(yīng)力，公式如下。

1)對(duì)于單向應(yīng)力狀態(tài)

σ=Eε

(4)

2)對(duì)于雙向應(yīng)力狀態(tài)

(5)

(6)

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括硬件設(shè)備和軟件結(jié)構(gòu)兩個(gè)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(zhǎng)將多個(gè)傳感器串聯(lián)在同一條光纖線纜上，將每個(gè)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為避免次峰和伴模對(duì)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(cè)系統(tǒng)組成及工作流程見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)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(guò)各種不同功能的FBG傳感器，將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)變成便于記錄及再處理的光信號(hào)。由于從傳感器輸出的信號(hào)為光信號(hào)，所以可以直接通過(guò)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(guò)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(zhǎng)的方式在計(jì)算機(jī)終端顯示、記錄存貯在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)信號(hào)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(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并在解調(diào)軟件中進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)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(duì)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(píng)估子系統(tǒng)。評(píng)估被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備，評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠度。

整個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的作用是對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行診斷，通過(guò)傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到測(cè)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(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，確定維修保養(yǎng)策略。

FBG應(yīng)變傳感器通過(guò)點(diǎn)焊固定工藝固定于水下潛器耐壓殼體表面。測(cè)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(wèn)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(cè)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(cè)站，安放監(jiān)測(cè)裝置。對(duì)船外各貼片區(qū)采用防水密封處理，并將測(cè)量導(dǎo)線用專(zhuān)用防海水塑料軟包線包覆，穿過(guò)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(cè)量導(dǎo)線穿過(guò)特制的水密接頭逐步過(guò)渡到應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(cè)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(gè)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(wèn)題。通過(guò)盡可能少的傳感器來(lái)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(cè)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(duì)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(cè)點(diǎn)位置需要綜合考慮施工、維修便利性，且測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiàn)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(duì)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(cè)。其它監(jiān)測(cè)位置則根據(jù)實(shí)船具體工況確定。

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，首先將各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行比較，從而判斷該部位是否因使用過(guò)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(duì)該部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。其次將各測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)環(huán)形殼體連接處進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。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(cè)系統(tǒng)構(gòu)成對(duì)實(shí)船安全監(jiān)測(cè)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(duì)于實(shí)船安裝工藝還需進(jìn)一步分析。

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