基于纜樁表面應(yīng)力的船舶纜繩載荷測量方法

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)，未來可作為船舶纜繩載荷監(jiān)測系統(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，沿海港口開始興建一批配備系纜樁的大型開敞式碼頭，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，船舶系泊時纜繩載荷大、測量難度高，給船舶纜繩載荷測量帶來新問題.

國外開展纜繩載荷測量的研究較早，在配備快速脫纜鉤碼頭的船舶纜繩載荷測量上已取得較好進(jìn)展，主要是采用銷軸式傳感器替換脫纜鉤拉板與耳環(huán)套之間的連接銷，使其在承擔(dān)連接作用的同時進(jìn)行纜繩載荷的間接測量.［1-2］國內(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)明一種銷式測力傳感器及船舶纜繩張力監(jiān)測系統(tǒng)，其中設(shè)測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)置在銷軸內(nèi)部.王鳳龍等［4］發(fā)明適用于海洋工程模型試驗的可旋轉(zhuǎn)的懸臂式測力計及其測量纜繩拉力的方法，測力計由測力裝置、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，對測量環(huán)境適應(yīng)性較好.大連理工大學(xué)海岸和近海國家重點實驗室在大連30 萬噸級原油碼頭現(xiàn)場，將加速度傳感器安裝在纜繩上測量30 萬噸級“GRAND KING”輪的纜繩載荷.［5］徐寶富等［6］設(shè)計一種無線纜繩張力監(jiān)測系統(tǒng)，用于工程施工纜繩張力的無線實時測量.邱占芝等［7］針對大型碼頭系泊的現(xiàn)狀和技術(shù)要求，利用計算機軟硬件技術(shù)，實時監(jiān)控每根系纜的張力、護(hù)舷壓縮量和環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制室的系泊自動監(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，以CAN 總線方式實現(xiàn)通信，最終實現(xiàn)船舶系泊監(jiān)測的自動化.

上述纜繩載荷測量方法主要是針對安裝快速脫纜鉤的碼頭和海洋環(huán)境模型試驗的需要而設(shè)計的，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量方式在工程實踐中會妨礙船舶正常的靠離泊作業(yè)，甚至可能由于纜繩載荷過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，因此直接測量方式安全風(fēng)險較大.本文提出一種基于纜樁表面應(yīng)力測量的船舶纜繩載荷間接測量方法，以滿足配備系纜樁的碼頭船舶纜繩載荷短時間的研究性安全測量需求，為船舶纜繩載荷的測量及碼頭設(shè)計研究提供實際數(shù)據(jù)，還可作為今后船舶纜繩載荷監(jiān)測系統(tǒng)研究的核心技術(shù)之一.

1 測量原理及結(jié)構(gòu)

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

如圖1 所示，假設(shè)纜繩收緊時將所受載荷在O 點施加給纜樁，此時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量原理是:采用應(yīng)變電測法測量纜樁表面的應(yīng)力，建立在纜繩載荷作用下測點應(yīng)力的理論計算模型，將纜樁表面測點應(yīng)力的測量值和理論計算模型聯(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

為配合測量值和理論計算模型聯(lián)立方程組，并確保應(yīng)變傳感器能測量到顯著的纜樁表面應(yīng)變量，將應(yīng)變計測點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個應(yīng)力測點A1和A2(見圖2).

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

2 纜樁表面測點應(yīng)力理論計算模型

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

圖3 船舶纜繩載荷間接測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 拉伸應(yīng)力計算

由于纜樁軸向載荷作用線不通過纜樁軸心，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附加一個力偶后平移至軸心(如圖1)，這個附加力偶的矩為F1對軸心的矩，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，故各測點由F1引起的拉伸應(yīng)變ε'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)力計算

F2造成纜樁彎曲變形，且纜樁橫截面上只有對中性軸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.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到測點橫截面的距離.那么，測點處的彎曲應(yīng)力

式中:y為測點到z 軸的距離.

因此，測點處的彎曲應(yīng)力

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

2.3 測點應(yīng)力的疊加

在分別計算測點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點應(yīng)力

3 纜繩載荷值求解

4 實驗驗證

4.1 實驗器材與裝置

為考慮實驗安全因素，在實驗室模擬纜樁系纜時的受力狀態(tài)，測試裝置軟硬件匹配情況，記錄系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對以驗證測量的準(zhǔn)確性.

實驗材料與裝置:實驗纜樁(半徑79.62 mm;柱殼厚度6 mm，彈性模量E1取200 GPa，泊松比0.3;無柱心填料(此時E2取0))、破斷力20 kN的船用鋼絲纜、拉力計(連接在纜繩與絞纜機之間)、絞纜機、350 Ω 常溫單軸應(yīng)變計、數(shù)據(jù)采集卡(美國國家儀器公司NI9237)、計算機(見圖4).

圖4 實驗器材及裝置

4.2 實驗結(jié)果分析

利用絞纜機與船用鋼絲纜繩模擬船舶系泊時的帶纜狀態(tài)，在絞纜機絞纜產(chǎn)生不同的纜繩拉力時由船舶纜繩載荷間接測量系統(tǒng)測出相應(yīng)數(shù)據(jù)，并與拉力計直接測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以確定系統(tǒng)的誤差和工作可靠性.實驗分兩組進(jìn)行，每組進(jìn)行4個纜繩載荷值的測量實驗，并使絞纜機產(chǎn)生持續(xù)一段時間的穩(wěn)定的纜繩載荷值(見圖5和6中圈出的部分).圖5和6中數(shù)據(jù)的擾動是由操作過程中絞纜機拉力輸出不連續(xù)造成的，對本組實驗不造成影響，實驗測量得到的數(shù)據(jù)為穩(wěn)定的纜繩載荷值.

圖6 第2 組實驗數(shù)據(jù)

在實驗后將船舶纜繩載荷測量系統(tǒng)和拉力計直接測量所測得的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行誤差對比分析(見表1).實驗結(jié)果顯示:本方法精度較高，誤差在5%以內(nèi);在小載荷下也具有較好的測量效果，能滿足船舶纜繩載荷測量的需要.

表1 船舶纜繩載荷測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

針對船舶纜繩載荷直接測量方式的缺陷，提出以利用應(yīng)變電測法的纜樁表面應(yīng)力測量為基礎(chǔ)，建立纜樁表面應(yīng)力理論計算模型，將測量值與理論計算模型聯(lián)立方程組求解得到纜繩載荷值，實現(xiàn)對纜繩載荷的無接觸測量.實驗表明，本方法的測量結(jié)果準(zhǔn)確性高.船舶纜繩載荷測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，在使用過程中不會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)計研究提供實際數(shù)據(jù).

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

［1］Harbor＆Marine Engineering Company.Vessel mooring and monitoring systems［EB/OL］.［2012-04-23］.http://www.trelleborg.com/en/Marine-Systems，2011.

［2］Strainstall UK Limited.The mooring load monitoring system［EB/OL］.［2012-03-20］.http://www.strainstall.com/，2011.

［3］田耕.一種銷軸式測力傳感器及船舶纜繩張力監(jiān)測系統(tǒng):中國，200820012107.8［P］.2009-01-28.

［4］王鳳龍，孫楊，劉長山.可旋轉(zhuǎn)的懸臂式測力計及其測量纜繩拉力的方法:中國，01101503.9［P］.2004-02-11.

［5］秦子君，魏昌理.纜繩載荷監(jiān)測系統(tǒng)在開敞式碼頭的應(yīng)用與分析［J］.水運工程，2007(9):100-107.

［6］徐寶富，朱杏元，徐鳴謙.纜繩張力無線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.同濟大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，33(11):1509-1512.

［7］邱占芝，劉春玲.碼頭系泊實時監(jiān)控可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報，2010，31(5):71-74.

［8］馬洪連，蘆良鑫，李龍.基于ARM 的船舶系泊監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報，2007，28(4):134-136.

［9］中華人民共和國交通運輸部(原中華人民共和國交通部).JTJ297-2001 碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2002.

［10］黃孟生.材料力學(xué)［M］.北京:中國電力出版社，2007:156-158.