建造中的船体在船台上的应力松驰现象研究

徐海秋 王晓侠 陈志坚 艾海峰 夏齐强

1海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033

2江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 200015

建造中的船体在船台上的应力松驰现象研究

徐海秋1王晓侠2陈志坚1艾海峰1夏齐强1

1海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033

2江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 200015

为得到建造中的船体在船台上的船体变形数据，基于FBG技术设计了船体在船台上的蠕变和应力松驰现象的监测系统，将该系统布置在实际船体结构上，测量了在船台上受结构蠕变和结构应力松驰现象综合作用所造成的船体结构变形，分析了监测过程中造成船体结构变形的因素，指出应力松驰是主要因素。数据分析表明：利用FBG传感技术进行船体变形长期监测是可行的；船体在船台上存在结构蠕变和应力松驰现象。最后，并基于壳体理论估算了船台上的船体结构的内应力释放速率。

FBG；船体变形；结构蠕变；应力松弛

1 引言

材料力学认为在受载零件里产生的应变与应力随时间而变化的现象为蠕变。机械零部件在高温和承受载荷的条件下，若保持总的变形量不变时，应力随时间的延长而逐渐降低称之为应力松驰［1］。蠕变和应力松驰是船舶工程中的一种常见的力学现象。当一艘船舶在船台搁置较久时，即使不对船舶进行任何影响船舶总载荷和船舶结构强度的施工，船体往往也会发生变形，这种变形本质上符合蠕变和应力松驰的定义，实质上是船体结构蠕变和船体结构内应力松驰的综合表现。船舶的建造周期，一般要以年为单位来计算。主船体结构形成后在船台上的时间都在数月以上，在这样的一个长时间段里，船体结构不可避免地要受到船体结构蠕变和船体结构内应力松驰的综合作用。这种作用所造的变形会对某些对船体相对位置要求严格的大型设备的安装与工作造成影响，如轴系对中等。因此，了解船台上的船体结构所受到的船体结构蠕变和船体结构内应力松驰所造成的变形是非常重要的。

对蠕变和应力松驰的研究，多集中在高温状态下单一材料和由单一材料组成的机械零部件方面［2-6］，由于船体结构的复杂性和大型化的特点，船体结构蠕变和船体结构应力松驰研究还是空白，武汉理工大学的张岚和侯超对FBG技术的船体健康监测进行了探索，但是并未结合实船设计出传感系统的布置方案［7-8］；基于FBG传感器进行结构变形测量在国外也有相关研究［9-10］。本文采用FBG传感技术对一般有人操纵的水下航行体的蠕变和应力松驰综合作用进行了监测，获得了一些建造中的船体在船台上的变形数据，对建造中的船体在船台上的船体结构蠕变和船体结构应力松驰进行研究。

2 测试原理

船体结构蠕变和船体结构应力松驰的特点是在一个较长时间段内发生的力学现象，对船体结构蠕变和船体结构应力松驰的测试是一个长时间的过程。在这样一个较长的时间段内，测试系统会受到许多不利因素的作用，如电磁干扰、电流电压变化和环境温度变化以及腐蚀等。因此测试船体结构蠕变和船体结构应力松驰的系统必须具有无零点漂移、耐腐蚀、抗电磁干扰以及不受温度影响的特性。此外，船体结构蠕变和船体结构应力松驰造成的变形是一个较小的量，所采用的测试系统必须灵敏度高、精度高，达到με量级。

以FBG传感技术为核心采用温度补偿技术构成的测试系统能满足上述要求，可用于对船体结构蠕变和船体结构应力松驰综合作用所造成的变形进行监测。FBG技术的核心技术是光纤光栅。光纤材料是耐腐蚀的石英晶体材料。将一束窄带光射入光纤，当光束经过中心波长为λB的未变形光栅时，会有波长λB的单色光反射回来，当光栅具有应变ε和温度变化时，反射光的波长会发生ΔλB的偏移。 光纤光栅的温度灵敏度 ST为［11］：

式中，α是光纤的热膨胀系数；ξ是光纤材料的热光系数 （折射率随温度的变化率）；ΔλB是光纤光栅的波长偏移量；ΔT是温度变化量。

光纤光栅的应变灵敏度ST为：

式中，Pe是光纤材料的弹光系数；ε是FBG受外界因素作用产生的应变。

设仅有温度作用而无应变时的中心波长偏移量为Δλ1T、仅有应变作用而无温度变化的中心波长偏移量为Δλε、温度和应变复合作用产生的中心波长偏移量为Δλ1，则

将式（3）代入式（2），即有：

依据式（4）设计测试船体结构蠕变和船体结构应力松驰所造成的变形测试系统。该系统无零点漂移、不受电磁和电流变化干扰。

测试传感器布置在有预应力（内应力）的结构上，当内应力保持不变时，所测试到的应变值应是蠕变所造成；如内应力消失，所测试到的应变应是应力松驰所造成。对于在船台上的船体，任何时候，船体重力始终和船台反力相平衡。船体重力和船台反力对船台上的船体结构形成载荷，在船体结构内形成应力。这个应力是始终作用在船体上的，不会随时间的延长而松驰或消失，我们称其为“固有应力”。焊接施工、设备安装等因素，亦会对船台上的船体造成加载，在船体结构内部形成应力，我们简称之为加工应力。船体结构是一种有预应力的结构，其预应力由“固有应力”和加工应力构成。通常，布置在船体结构上的传感器系统，所测得的应变应是“固有应力”造成的蠕变和加工应力的应力松驰造成的变形之和。设“固有应力”所造成的应变为εG、加工应力松驰所造成的应变为εH、应变测试值为 ε，则

3 测试系统及数据采集

3.1 测试系统

依据式（4）的原理制作光纤光栅传感器，以该传感器为核心设计制造测试系统。测试系统的组成与安装如图1所示。船体结构蠕变和应力松驰测试是一个复杂的工程，系统安装在实船上时，需经过众多的舱壁从而对舱壁的水密性造成影响，系统中所使用的杯形管节就是为保证舱壁的水密性而设计。因测试是在施工过程中进行且时间很长，为避免施工对测试网络造成破坏，系统中对传感器及网络进行了保护设计。

3.2 测试工况描述及典型测试结果

为获得船体结构蠕变和应力松驰测试数据，在数据测试时间，船体建造施工停止进行：不进行设备安装，不进行焊接施工和其他任何施工，保证船台上的船体结构总重力无变化。

测试时间总跨度为20 h，测试中取20个测点，数据采集频率为1 Hz。定时开机测试及保存数据。以3种模式进行数据记录：传感器波长编码数据实时保存、传感器中心波长数据.mdp格式保存、传感器瞬时光谱图形模式保存。共进行了3次测试，每次测试均分别从传感器的两端入射测试激光以获得波长偏移数据。第二次数据采集距第一次采集时间相差2.6 h，第三次数据采集距第一次数据采集时间为20.2 h，典型测试结果如图2～图6所示。

图3～图6是两传感器在3个时间点间隔的3 min中心波长变化曲线。从式（4）可以看出，FBG传感器波长变化与应变成正比，所以从波长变化曲线就可以看出应变的变化趋势。由图3～图6可以看出：本测试系统所采用的传感器具有良好的精度及灵敏度。中心波长的波幅始终在pm的个位数量级波动，这反映了环境振动的影响，表明传感器具有良好的精度；中心波长的波长偏移量达到pm的十位数量级，此时反映了蠕变和应力松驰造成的变形影响，表明传感器具有良好的灵敏性。

4 测试数据分析

4.1 应变

按式（4）获得获得船体结构应变，取笫1次测试时船体状态为基准状态，即零应变状态，则有第2次、第3次时刻船体结构相对于第1次测试所对应时刻的应变以及3次测试时刻所对应的温度如表1所示。

由表1可见，在3次数据采集过程中，船体的外载荷状态没发生变化，按载荷与变形的关系，应该无应变发生，但经过了一定时间后，船体结构却发生了应变，且这个应变随时间的延长而增长，20 h后，竟达到了45 με量级。这说明船台上的船体结构有蠕变和结构内应力松驰现象发生。

表1 21号、18号传感器数据

4.2 应力松驰估算

注意到蠕变发生通常需要较长时间，上述测试时间间隔仅有20 h，因此可认为在这个期间内的船体蠕变为零，从而表1所示应变可视为应力松驰（即内应力释放）造成的结果。

所测试船体结构为薄壳结构，板壳理论薄壳应力计算公式［12］如下：

考虑到传感器布置位置在肋位跨中，采用无矩理论计算应力松驰。对于水下航行体，设计师主要关心σ1和σ2，因此有如下应力松驰估算公式：

按两种应力状态估算应力松驰：单向应力状态和双向应力状态。应力状态的差别，体现了应力松驰造成的应力释放的模式差别。

1） 当 ε2＝－με1时，σ2＝0，该位置的壳体处于单向应力释放状态；

取弹性模量 E＝2.06×105MPa，泊松比 μ＝0.3。则21号传感器所在位置的应力松驰估算结果如表2所示。

由表2可以看出，当应力各方向均匀释放时，经过20个小时，21号传感器位置所释放的应力可达到 13.243 MPa。

表2 应力松驰估算结果

5 结束语

本文的研究表明：利用FBG传感技术进行船体变形长时监测是可行的。船体在船台上存在结构蠕变和应力松驰现象，在20 h内，船体在船台上最大可释放13.243 MPa的内应力。船体在船台上受船体结构蠕变和应力松驰的综合作用将造成船体结构变形，这些变形将会对重要设备的安装和工作造成影响，必须予以足够的重视。

［1］机械设计手册编委会.机械设计手册［S］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］陈年金，高增梁，雷月葆.316L钢高温疲劳蠕变规律研究［J］.压力容器，2006，32（6）：6-9，26.

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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，FBG－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

国家自然科学基金资助（50805055）

徐海秋（1983－），男，硕士研究生。研究方向：船舶结构力学。E-mail：bennaoke＠126.com