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摘要：在船舶大型化和高强度钢广泛使用的背景下，船舶在航行中的动态变形愈发明显。为补偿甲板上各关注位置与主惯导之间的姿态差异，通常在关注位置安装角变形监测装置。从实际角度出发，不可能对所有的关注位置均进行监测，因而有必要采用一种合理的方法对监测位置进行优化，进而通过实时监测到的角变形信息预报其他关注位置的角变形响应。本文在基于风险的船体结构监测点布置方面进行了简要的探讨，以期为相关工作提供一定的参考价值。
关键词：风险；船体结构；监测点优化；布置方法
1船体维修期强度和变形研究现状
在船舶与海洋工程领域，全世界各大船级社组织如ABS，DNV，BV和LRS等很早就制定了船体监测系统的相关标准。此外，韩国、日本、荷兰、芬兰等国家也较早地对船体监测系统进行设计研究并在实船上得到应用，但是针对船舶与海洋工程结构物维修期内的应力分析和变形监测的研究还是很少见的。
1996年6月，广州菠萝庙船厂的相关工程师对“AVEIRO”号超长船舶进入“飞龙山”浮船坞的修理进行了分析，校核了船体的总纵强度和局部强度，基于分析结果对船舶进坞的配载状态和坞墩的布置方案提出了改进。
温州市港航管理局乐清分局的相关工程师对船舶在维修期和改造过程中可能发生的变形进行了分析研究。分析了造成船体变形的原因之后给出了一些具有针对性的变形控制方案，最后根据实际情况给出了船舶变形的检测和预防方案。
2012年7月沪东中华船舶集团有限公司的相关工程师对LNG船进坞的坞墩布置设计进行了研究，通过对全船在入坞配载工况下的有限元分析对船体底部结构进行了强度校核，基于此结果对坞墩布置方案进行了优化设计。
2010年6月，科林斯级法恩科木号潜艇，在西澳大利亚的亨德森cuF码头应用新的浮船坞和自推进模块化运输系统拖出水面，它也是第一个被“请出”水面的潜艇。在“请出”潜艇的过程中，为了保证潜艇的受力分布比较平均，委托SAGE自动化公司设计、建造、安装一套水下无线监测系统，能够在码头上对潜艇应力情况进行实时监测。该系统通过可视化界面给出潜艇的应力变化特征，并且在应力达到临界值的时候发出警手。
2船舶结构应力监测与评估系统初步设计
哈尔滨工程大学综合应用光纤光栅传感技术、通讯技术、数据信息融合技术、数据处理技术、超大信息数据库技术、船舶波浪载荷理论和船体结构强度评估理论研究开发了一套具有自主知识产权的船体结构应力监测与评估系统，实现了船舶结构健康安全的长期监测与实时在线评估。该系统设计的主要功能有船体结构响应数据采集功能、船体结构应力监测功能、海洋环境监测功能、监测数据处理分析功能、船体结构强度评估功能、船舶监测报警和记录功能、数据库功能和人机交互界面功能，通过这些功能保障航行在海洋环境中船舶健康安全，并为船舶结构优化改进以及今后类似船舶设计建造提供宝贵的数据和经验。
2.1数据采集功能
船体结构响应数据采集功能主要用于船体结构应力响应数据的采集，通过光纤光栅应变传感器采集船体结构应力。光纤光栅传感器测量船体结构的应变的变化信号转换成光的波长变化信号，再经过光缆发送到光纤光栅信号解调仪。解调仪再把光的波长变化信号经过处理发送到应变信号处理模块，应变信号处理模块再通过相关识别和计算将信号转化为应力信号上传并存储到数据库中，最后数据库将应力数据发送至通信模块，通信模块再将应力数据传输到其他模块。
2.2船体应力监测功能
船体结构应力监测功能主要针对结构关键位置和和危险部位的应力监测，通过光纤光栅传感器监测应力类型包括：屈服应力和疲劳应力。监测船体结构应力首先需要根据船级社相关规范和船体结构的特点选定部分监测点，再利用船舶结构有限元计算方法对全船结构的应力大小和类型进行分析，并对船体结构监测点进行优化选择。然后综合分析所测量船舶结构的实际情况确定的船舶监测点的数量和位置，并在监测部位布置光纤光栅传感器。通过设计合理的传感器保护罩，保障船舶结构应力监测的可靠性，提高传感器的使用寿命，以及便于船舶监测传感器的维修和更替。最后通过传输光缆将监测点的数据信号上传给光纤光栅解调仪，再经过数据线将测量信号发送到船舶结构应力监测与评估系统软件的其他模块之中。
2.3海洋环境监测功能
海洋环境监测功能主要用于船舶航行区域的海况信息获取，其主要作用是提供波浪载荷计算所需的海浪参数，并用于得到船体当前所受的波浪外力作用，为船上人员进行决策提供参考。对船舶航行区域海况信号的采集主要采用的是船载测波雷达，船上的海浪信号处理设备将测得的海浪信息存储到船舶监测系统数据库中，数据库再将海浪信息传送至通信系统，最终在人机交互界面上显示查看。在不能直接获取海浪参数的情况下，可利用船载激光贯导设备测量船舶实时运动信号（如航速、纵摇、横摇、升沉等），根据海浪谱反演技术，得到当前海况参数的估计值。
2.4数据处理功能
监测数据处理分析功能主要用于监测数据的實时处理与后续处理，为船体结构强度评估模块提供数据基础。由于高频采样工况下数据采集系统所测得的瞬时数据量巨大，为了最大限度的节省有限的计算资源，提高系统的运行效率，将船舶监测传感器测得的船体结构应力数据分为16种数据类型，并将它们分配到四个计算线程。运行结束四个计算线程后将监测数据传输到分配线程，分配线程根据系统软件的配置将进入该线程的监测数据处理结果发送至数据库中，再由数据库把监测数据处理分配到船舶监测系统其他模块。
2.5强度评估功能
船体结构强度评估功能主要包括船体结构屈服强度评估和船体结构疲劳强度评估。船体结构屈服强度评估又分为划分安全等级的确定性评估方法和可靠性评估方法，安全等级评估方法主要是将实时监测的应力数据划分等级区间的方式进行评估，而可靠性评估方法主要是根据实时监测得到的应力时历数据结合相应的强度评估标准计算船体结构在当前海况下的失效概率，从而实现船体结构强度的实时可靠性评估。
3应用实例
3.1角变形监测位置优化
采用有限元方法对船体结构的整船模型进行模态分析，考虑到关注位置位于甲板上，此处隐去模型的其他结构，只显示整船模型中甲板部分的振型。在准备布置2个变形监测装置的前提下，采用有效独立法。
3.2短期海况下角变形响应的仿真
在有义波高2.5m、平均跨零周期8.0s的短期海况下，对20kn航速、30°航向角船舶在航状态时的角变形响应进行预报，得到拟定监测位置Point2-1和Point3-1绕各个方向的角变形响应。
3.3角变形响应的实时预报
由于目前尚不存在实测数据，采用模态叠加法对Point4-1的角变形响应进行实时预报，并将实时预报结果与仿真方法得到的结果进行比较。通过模态叠加信号与仿真时历信号的比较可以看出，不同时刻二者的变形响应比较接近，从理论上验证了利用所选优化测点的合理性以及采用模态叠加法进行船舶变形响应实时预报的准确性。
4结束语
总之，在实际疲劳监测点的布置过程中，还应根据总布置图考虑布置信息。如果理论监测点处有障碍物无法进行布置时，应适当调整位置进行布置。
参考文献：
[1]柳爱利，马宏绪，戴洪德.大船甲板变形监测系统中IMU的优化布局[J].计算机测量与控制，2010，18（10）：2332-2334.
[2]郑荣才，陈超英，杨功流，等.最小二乘估计方法的大型舰船甲板变形测[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41（9）：141-144.
关键词：风险；船体结构；监测点优化；布置方法
1船体维修期强度和变形研究现状
在船舶与海洋工程领域，全世界各大船级社组织如ABS，DNV，BV和LRS等很早就制定了船体监测系统的相关标准。此外，韩国、日本、荷兰、芬兰等国家也较早地对船体监测系统进行设计研究并在实船上得到应用，但是针对船舶与海洋工程结构物维修期内的应力分析和变形监测的研究还是很少见的。
1996年6月，广州菠萝庙船厂的相关工程师对“AVEIRO”号超长船舶进入“飞龙山”浮船坞的修理进行了分析，校核了船体的总纵强度和局部强度，基于分析结果对船舶进坞的配载状态和坞墩的布置方案提出了改进。
温州市港航管理局乐清分局的相关工程师对船舶在维修期和改造过程中可能发生的变形进行了分析研究。分析了造成船体变形的原因之后给出了一些具有针对性的变形控制方案，最后根据实际情况给出了船舶变形的检测和预防方案。
2012年7月沪东中华船舶集团有限公司的相关工程师对LNG船进坞的坞墩布置设计进行了研究，通过对全船在入坞配载工况下的有限元分析对船体底部结构进行了强度校核，基于此结果对坞墩布置方案进行了优化设计。
2010年6月，科林斯级法恩科木号潜艇，在西澳大利亚的亨德森cuF码头应用新的浮船坞和自推进模块化运输系统拖出水面，它也是第一个被“请出”水面的潜艇。在“请出”潜艇的过程中，为了保证潜艇的受力分布比较平均，委托SAGE自动化公司设计、建造、安装一套水下无线监测系统，能够在码头上对潜艇应力情况进行实时监测。该系统通过可视化界面给出潜艇的应力变化特征，并且在应力达到临界值的时候发出警手。
2船舶结构应力监测与评估系统初步设计
哈尔滨工程大学综合应用光纤光栅传感技术、通讯技术、数据信息融合技术、数据处理技术、超大信息数据库技术、船舶波浪载荷理论和船体结构强度评估理论研究开发了一套具有自主知识产权的船体结构应力监测与评估系统，实现了船舶结构健康安全的长期监测与实时在线评估。该系统设计的主要功能有船体结构响应数据采集功能、船体结构应力监测功能、海洋环境监测功能、监测数据处理分析功能、船体结构强度评估功能、船舶监测报警和记录功能、数据库功能和人机交互界面功能，通过这些功能保障航行在海洋环境中船舶健康安全，并为船舶结构优化改进以及今后类似船舶设计建造提供宝贵的数据和经验。
2.1数据采集功能
船体结构响应数据采集功能主要用于船体结构应力响应数据的采集，通过光纤光栅应变传感器采集船体结构应力。光纤光栅传感器测量船体结构的应变的变化信号转换成光的波长变化信号，再经过光缆发送到光纤光栅信号解调仪。解调仪再把光的波长变化信号经过处理发送到应变信号处理模块，应变信号处理模块再通过相关识别和计算将信号转化为应力信号上传并存储到数据库中，最后数据库将应力数据发送至通信模块，通信模块再将应力数据传输到其他模块。
2.2船体应力监测功能
船体结构应力监测功能主要针对结构关键位置和和危险部位的应力监测，通过光纤光栅传感器监测应力类型包括：屈服应力和疲劳应力。监测船体结构应力首先需要根据船级社相关规范和船体结构的特点选定部分监测点，再利用船舶结构有限元计算方法对全船结构的应力大小和类型进行分析，并对船体结构监测点进行优化选择。然后综合分析所测量船舶结构的实际情况确定的船舶监测点的数量和位置，并在监测部位布置光纤光栅传感器。通过设计合理的传感器保护罩，保障船舶结构应力监测的可靠性，提高传感器的使用寿命，以及便于船舶监测传感器的维修和更替。最后通过传输光缆将监测点的数据信号上传给光纤光栅解调仪，再经过数据线将测量信号发送到船舶结构应力监测与评估系统软件的其他模块之中。
2.3海洋环境监测功能
海洋环境监测功能主要用于船舶航行区域的海况信息获取，其主要作用是提供波浪载荷计算所需的海浪参数，并用于得到船体当前所受的波浪外力作用，为船上人员进行决策提供参考。对船舶航行区域海况信号的采集主要采用的是船载测波雷达，船上的海浪信号处理设备将测得的海浪信息存储到船舶监测系统数据库中，数据库再将海浪信息传送至通信系统，最终在人机交互界面上显示查看。在不能直接获取海浪参数的情况下，可利用船载激光贯导设备测量船舶实时运动信号（如航速、纵摇、横摇、升沉等），根据海浪谱反演技术，得到当前海况参数的估计值。
2.4数据处理功能
监测数据处理分析功能主要用于监测数据的實时处理与后续处理，为船体结构强度评估模块提供数据基础。由于高频采样工况下数据采集系统所测得的瞬时数据量巨大，为了最大限度的节省有限的计算资源，提高系统的运行效率，将船舶监测传感器测得的船体结构应力数据分为16种数据类型，并将它们分配到四个计算线程。运行结束四个计算线程后将监测数据传输到分配线程，分配线程根据系统软件的配置将进入该线程的监测数据处理结果发送至数据库中，再由数据库把监测数据处理分配到船舶监测系统其他模块。
2.5强度评估功能
船体结构强度评估功能主要包括船体结构屈服强度评估和船体结构疲劳强度评估。船体结构屈服强度评估又分为划分安全等级的确定性评估方法和可靠性评估方法，安全等级评估方法主要是将实时监测的应力数据划分等级区间的方式进行评估，而可靠性评估方法主要是根据实时监测得到的应力时历数据结合相应的强度评估标准计算船体结构在当前海况下的失效概率，从而实现船体结构强度的实时可靠性评估。
3应用实例
3.1角变形监测位置优化
采用有限元方法对船体结构的整船模型进行模态分析，考虑到关注位置位于甲板上，此处隐去模型的其他结构，只显示整船模型中甲板部分的振型。在准备布置2个变形监测装置的前提下，采用有效独立法。
3.2短期海况下角变形响应的仿真
在有义波高2.5m、平均跨零周期8.0s的短期海况下，对20kn航速、30°航向角船舶在航状态时的角变形响应进行预报，得到拟定监测位置Point2-1和Point3-1绕各个方向的角变形响应。
3.3角变形响应的实时预报
由于目前尚不存在实测数据，采用模态叠加法对Point4-1的角变形响应进行实时预报，并将实时预报结果与仿真方法得到的结果进行比较。通过模态叠加信号与仿真时历信号的比较可以看出，不同时刻二者的变形响应比较接近，从理论上验证了利用所选优化测点的合理性以及采用模态叠加法进行船舶变形响应实时预报的准确性。
4结束语
总之，在实际疲劳监测点的布置过程中，还应根据总布置图考虑布置信息。如果理论监测点处有障碍物无法进行布置时，应适当调整位置进行布置。
参考文献：
[1]柳爱利，马宏绪，戴洪德.大船甲板变形监测系统中IMU的优化布局[J].计算机测量与控制，2010，18（10）：2332-2334.
[2]郑荣才，陈超英，杨功流，等.最小二乘估计方法的大型舰船甲板变形测[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41（9）：141-144.