大型郵船房艙門窗開口結構的起浮過程變形監(jiān)測

張 威, 葉 飛, 郭蘇琪

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；3.中國船舶集團有限公司，上海 200011)

0 引 言

國產某大型郵船總長超300 m，排水量達13萬t，居住艙室客房超2 000間，房艙兩側均存在門窗開口結構設計。在船體結構方面，為控制質量和重心，房艙區(qū)域使用厚度為4.000～6.000 mm的薄鋼板進行建造[1]，所有門窗開口結構均拼焊而成。在拼焊過程中，薄板門窗框開口結構因裝配焊接等因素較易產生內應力，應力伴隨時間進程進行釋放，并對結構產生持續(xù)變形影響。門窗開口本身會削弱結構強度，使船體產生疲勞變形的概率增加。門窗開口結構在結構完工后發(fā)生變形會引起諸多問題：門窗使用出現(xiàn)問題，例如窗戶玻璃碎裂和門與框之間無法貼合等；降低結構疲勞性能或導致結構開裂[2]，出現(xiàn)安全隱患。為排除上述問題發(fā)生的可能性，提前在產品建造過程中確保產品本身的安全性，同時在產品交付前驗證結構設計與建造的可靠性，需要開展大型郵船房艙門窗開口結構的起浮過程變形監(jiān)測。

1 變形監(jiān)測方案

1.1 監(jiān)測位置

為動態(tài)監(jiān)測房艙門窗開口結構完工后的變形情況，選擇位于船體中站面附近共計4組房艙門窗開口結構作為監(jiān)測對象，分別在每組門窗框開口四周設置14個監(jiān)測點，并對每個監(jiān)測點進行編號，如圖1所示。伴隨整船起浮過程，記錄每個監(jiān)測點在不同階段的坐標數(shù)據(jù)，作為結果分析的對比依據(jù)。

圖1 艙房門窗開口結構監(jiān)測點位置編號示例

1.2 監(jiān)測階段

變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集分3個階段進行：①浮前，船體結構全部完工，測得處于該狀態(tài)的房艙監(jiān)測點平整度數(shù)據(jù)，并作為初始數(shù)據(jù)與后續(xù)階段監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析；②浮中，船體處于塢內自由浮態(tài)，整個船體在自由浮態(tài)下釋放殘余應力；③落墩，待整船在塢內靜置后采集房艙的最終平整度數(shù)據(jù)。對浮前、浮中、落墩的數(shù)據(jù)進行對比分析，得出房艙門窗開口結構的變形偏差量，掌握在起浮過程中房艙門窗開口結構變形的直觀結論，為后續(xù)的優(yōu)化設計提供目標導向。

1.3 監(jiān)測設備

任務的監(jiān)測環(huán)節(jié)涉及自由浮態(tài)的數(shù)據(jù)采集，常規(guī)測量儀器例如全站儀等借助水平基準的空間坐標測量設備，無法在動態(tài)下完成精準觀測。為掌握常規(guī)測量手段無法測得的細微變化量，變形監(jiān)測研究采用美國自動精密工程公司(Automated Precision Inc.)的API Radian Plus激光跟蹤儀作為測量設備，如圖2所示，其10 m內的測量精度為0.015 mm，滿足且優(yōu)于所需要掌握數(shù)據(jù)的毫米級精度要求。

圖2 API Radian Plus激光跟蹤儀

激光跟蹤儀的基本原理是通過發(fā)出的激光波長計算空間距離，實現(xiàn)方式是在目標位置上放置一個反射器(通常采用靶球)，如圖3所示。在激光跟蹤儀(即基準位置)發(fā)射的激光被反射器接收并反射回跟蹤儀時，可通過改變光束的方向對準移動的目標。光束返回至設備自身的檢測系統(tǒng)，以便測量目標在空間中的位置。設備坐標以激光發(fā)射位置的中心為原點，角度盤上的0位置方向為x軸，角度盤平面法線的上方向為z軸，右手坐標系規(guī)則確定y軸，如圖4所示。

圖3 激光跟蹤儀反射器(靶球)

圖4 激光跟蹤儀坐標系

激光跟蹤儀可自動跟蹤反射器并記錄跟蹤的測量距離L和豎直角θ與水平角φ。通過上述3個觀測值，根據(jù)式(1)，可獲得監(jiān)測點P的空間三維直角坐標(Px，Py，Pz)[3]。

(1)

2 變形監(jiān)測過程

2.1 監(jiān)測控制網(wǎng)建立

為實現(xiàn)各階段的三維坐標數(shù)據(jù)對比，需要將每次監(jiān)測作業(yè)建立在同一空間坐標系下。在房艙四周連續(xù)硬檔的位置布置公共控制點(簡稱公共點)，建立監(jiān)測控制網(wǎng)，構建轉站模型，如圖5所示，其中，主站位的空間坐標和轉站站位的空間坐標均以公共點(兩個站位均可測得的空間坐標)作為基準。每次采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一坐標系下，實現(xiàn)全過程數(shù)據(jù)狀態(tài)一致。

圖5 激光跟蹤儀轉站模型

確定第一次監(jiān)測時的儀器架設位置作為主站位，不進行坐標轉換，在后續(xù)兩次測量中保持該位置為主站位的空間坐標，并按照該方向進行坐標系轉站。將浮中和落墩的兩次監(jiān)測位置作為轉站站位，并使用轉站站位的空間坐標進行測量。需要進行坐標轉換以使每次實際測量的坐標與主站位的空間坐標對齊。轉站測量坐標轉換模型如圖6所示。

圖6 轉站測量坐標轉換模型

根據(jù)簡單剛性矩陣轉換原理，為使轉換方程有解，需要滿足公共點的個數(shù)。設主站位的空間坐標系為A，轉站站位的空間坐標系為B。轉站站位的空間坐標下的典型測量點為(x1i，x2i，x3i)，主站位的空間坐標下的典型測量點為(y1i，y2i，y3i)。對齊主站位的空間坐標和轉站站位的空間坐標之間的坐標公式[4]為

(2)

式中：R為將坐標系B轉換至坐標系A的旋轉變換矩陣；T為x、y、z軸方向上的平移數(shù)，T=[t1，t2，t3]T。

定義3個坐標軸方向的旋轉角度分別為α、β、γ，并規(guī)定右手螺旋方向為坐標軸的旋轉方向。R表示的變換關系為

(3)

式中：Rα為轉站測量坐標系繞x軸的旋轉矩陣；Rβ為轉站測量坐標系繞y軸的旋轉矩陣；Rγ為轉站測量坐標系繞z軸的旋轉矩陣。

由式(2)可得出參數(shù)求解公式，包含待求解參數(shù)R和T：

(4)

依照7參數(shù)(3個平移參數(shù)、3個旋轉角度參數(shù)、1個尺度參數(shù))計算和坐標轉換模型，至少需要3個公共點求解式(4)。測量誤差導致在求解坐標系之間的對齊參數(shù)時需要多個公共點，而非只有3個。應用激光跟蹤儀測量的轉站模型設置6個公共點，測量控制軟件PolyWorks采用的坐標轉換方法為最小二乘法。根據(jù)式(4)，可得到轉化后的最小二乘參數(shù)優(yōu)化矩陣：

(5)

根據(jù)式(5)，通過PolyWorks軟件計算可得到轉站誤差，如表1所示。由表1可知：由于浮前的激光跟蹤儀站位為主站位，其余兩個監(jiān)測階段的激光跟蹤儀站位為轉站站位，因此浮前的公共點誤差均為0；浮中和落墩兩個監(jiān)測階段轉站最大均方根誤差(Root Mean Squared Error，RMSE)為0.178 mm，偏差可控，兩次轉站后的數(shù)據(jù)采集結果有效，可進行被測目標的數(shù)據(jù)采集。

表1 各監(jiān)測階段激光跟蹤儀轉站誤差 mm

2.2 數(shù)據(jù)采集

對房艙門窗開口結構進行監(jiān)測點位置和編號標記，并將固定反射器靶球所用的磁性底座吸附于標記點位，以此作為實際監(jiān)測點位，如圖7所示。為避免在測量過程中出現(xiàn)因反射器非正常偏移而產生的測量誤差，采用強力膠對磁性底座四周進行封固，確保起浮全過程的監(jiān)測點位不被人為移動。

圖7 磁性底座形式

在測量過程中，使用激光跟蹤儀逐一對房艙每組門窗開口結構周圍的監(jiān)測點進行空間坐標數(shù)據(jù)的采集，并實時觀察采集數(shù)據(jù)的完整性，如圖8所示。在完成每次采集后，通過分析軟件可呈現(xiàn)房艙門窗開口結構監(jiān)測點的位置分布和坐標信息，如圖9所示，并可分析其他監(jiān)測點與基準之間的坐標關系。在單次測量時，對相同監(jiān)測點進行多次的空間坐標采集，可在分析軟件上查看重復監(jiān)測點坐標的離散情況，以此作為一種數(shù)據(jù)一致性的檢查手段。重復上述操作，將完成采集后的數(shù)據(jù)信息進行導出處理，用于統(tǒng)計分析。

圖8 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集實施

圖9 房艙門窗開口結構監(jiān)測點位置分布示例

2.3 數(shù)據(jù)分析

浮中、落墩兩階段的轉站測量坐標系通過PolyWorks軟件計算轉站至浮前的主測量坐標系，可得出3個監(jiān)測階段各監(jiān)測點在主測量坐標系下的坐標值測量結果。構建參考坐標系，以編號順序的1號點為基準零點，按式(6)通過PolyWorks軟件將主測量坐標系投射平移至參考坐標系中。

(6)

式中：(xi，yi，zi)為主測量坐標系的任意點；T為將主測量坐標系投射平移至參考坐標系的向量矩陣，T=(t1，t2，t3)T；(Xi，Yi，Zi)為主測量坐標系任意點(xi，yi，zi)投射至參考坐標系的點。

以1號點為基準零點，利用分析軟件依次固定排列各監(jiān)測點的坐標信息。明確基準規(guī)則與分析規(guī)則，完成所有階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并對比在3個階段的坐標變化信息，得出階段之間的數(shù)據(jù)偏差。以房艙單組門窗監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)結果依次以監(jiān)測點編號順序形成列，并呈現(xiàn)各監(jiān)測點在各階段的坐標變化，相同點位在不同階段的坐標差值，即為偏差值，如表2所示。

表2 門窗監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計 mm

2.4 監(jiān)測結果

將有效的數(shù)據(jù)進行整理，形成數(shù)據(jù)偏差，便于直觀判斷。選取的房艙門窗開口結構變形量如圖10～圖13所示。對各房艙門窗開口結構3個階段進行對比，均未出現(xiàn)明顯平整度變化，變形量均≤1.000 mm，浮中單點最大變形量為-0.988 mm，落墩單點最大變形量為-0.645 mm。

圖10 1號房艙門窗開口結構變形量

圖11 2號房艙門窗開口結構變形量

圖13 4號房艙門窗開口結構變形量

3 結 語

通過開展大型郵船房艙門窗開口結構的起浮過程變形監(jiān)測，對比浮前、浮中、落墩各典型狀態(tài)的數(shù)據(jù)變化，選取的房艙門窗開口結構在起浮過程中未出現(xiàn)明顯平整度變化，變形量均≤1.000 mm。由此可知：房艙門窗開口結構在處于起浮過程多狀態(tài)時的變形是可控的，產生的變形量不會對結構和后續(xù)門窗安裝產生消極影響。

通過變形監(jiān)測研究，在不同船體狀態(tài)的基礎上，掌握大量變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對設計建造和交付后的使用安全具有重要的意義，可為涉及區(qū)域的疲勞強度分析和工藝策劃提供有效的數(shù)值參考，并提前排除設計建造和使用的隱患。變形監(jiān)測可直觀判斷由力學作用造成的變形量，為后續(xù)工程優(yōu)化結構設計提供支撐。