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摘要：船舶在复杂的海况下运营，其结构常常会产生损伤，而这种潜在的损伤是造成船体结构整体失效的直接因素。船舶结构安全监测系统使用传感器对船体结构进行实时监测，检测并预报结构的早期损伤，从而引导相关人员采取措施，预防船体结构的破坏，这对于船舶安全航行具有很大的意义。为了能够真实地反映和预报船体结构，结構监测点位置以及传感器的布置形式的选取至关重要。结构监测点的布置是否合理直接影响到船舶结构安全监测系统对于船体结构监测的有效性。
关键词：风险；船体结构；监测点；优化布置
1船体强度监测国内研究现状
国内对于监测系统相关技术的研究起步较晚，近年来结构监测技术经过不断的发展，己经逐渐推广到船体结构安全性研究领域。
在2006年该中心与上海自动化仪表所合作，开发出了一套结构应变监测系统，该系统能够对耐压壳体结构的应力、应变特征进行长期的监测。2009年系统得到了升级和改进。2010该中心开始整理前期试验和研究所得的数据，并总结经验，在此基础上逐步进行船体长期监测系统的开发工作。最后在2011年底完成了系统鉴定，并逐步在实船上得到应用，慢慢出现在船舶与海洋工程装备的市场上。2011年，天津大学的梁文斌等人设计了船舶健康监测的整体方案，对传感器进行了优化，用双光纤光栅技术对整船体的弯矩以及载荷进行了检验。哈尔滨工程大学的任慧龙、贾连徽等人基于光纤光栅传感技术和数据库技术设计开发了一套船舶结构应力监测与评估系统。该系统具有不同工况下的船体应力监测和结构强度的评估等功能。
目前，就国内船体强度监测与实时评估系统的发展而言，我国与国外相比存在较大差距，主要体现如下：
（1）技术成熟度的差距。目前，国内现存的船体强度监测与实时评估系统主要根据其所使用的传感器进行分类。这些传感器主要有：电阻应变片、电阻应变盒、基于LVDT技术的长基线应变仪、光纤光栅传感器、光纤传感器。目前，国外的研究热点集中在：传感器全光纤化、监测范围全船化、监测信号传输无线化。国内学者在这些方面的研究较少，与国外存在一定的差距。
（2）产品覆盖面的差距。目前，国外在船体强度监测与实时评估系统方面基本实现了全覆盖，这种全覆盖是指：传感器的全覆盖、监测点或监测剖面的全覆盖、后处理系统功能的全覆盖、监测船型的全覆盖。在国内，以上几点都处于起步阶段。
（3）监测数据后续应用的差距。在以英国、美国和挪威为代表的西方发达国家中，将监测系统得到的数据经过实时处理后，一方面用于船体强度的实时评估，另一方面全部存储作后续应用于船型的优化设计、评估先期载荷预报的合理程度、间隔一段时间评估船体的损伤程度并及时调整维护方案。在国内，在实船上的应用很少，获得的监测数据数量也十分有限，在工程上也没有对数据的后续应用。
2船体结构监测点的布置方法
2.1船体结构的短期失效概率
根据波浪载荷理论，认为海浪在短时间内是均值为0的平稳正态随机过程。因此，线性的海浪波浪载荷所对应的随机过程亦将是均值为0的平稳正态的。由波浪载荷线性响应系统可知，波浪载荷的谱密度可以表达为：
式中：Sζ（ω，H1/3，Tz）为海浪谱密度函数，SW（ω，H1/3，Tz）为波浪载荷的谱密度函数，ω为波浪圆频率，H1/3为有义波高，Tz为波浪的特征周期，H（ω）应力响应的模。
根据船体结构图建立有限元模型来模拟实船结构。依据船舶装载手册和船舶实际的运营环境，通过海浪资料获得海浪谱密度函数，并对船体有限元模型施加外部载荷。使用有限元软件Nastran进行有限元分析，即可计算出各个工况下的船体结构任意部位的结构响应函数H（ω），根据式（1）得到波浪载荷的谱密度函数SW（ω，H1/3，T2）。
假定船舶在波浪中航行的短期结构应力幅值服从瑞利分布，故结构应力幅值的概率密度函数和分布函数如下：
式中参数k可以根据波浪载荷的谱密度函数求得：
根据序列统计原理，以瑞利为初始分布，可求得应力幅值的极值分布概率密度函数和分布函数为：
式中n为船舶的运营时期内遭遇应力峰值的个数。
在船体结构的承载能力上，本文主要考虑结构的屈服破坏，并假定钢材屈服极限服从正态分布，其概率密度函数表达式如下：
式中：μC为均值，一般取钢材屈服极限；σC为相应的标准差。
引入结构可靠性理论，认为载荷对船体结构的作用为D，船体结构的承载能力为C，船体结构失效函数M=C-D，当C与D是独立的随机变量时，结构失效概率为：
联立式（6）-（8），即可求得船体结构在短期海况下的结构失效概率。
2.2船体结构的加权失效概率
船舶在长期航行时遭遇到不同浪向和频率的波浪，同时由于运营的需要，船体自身的装载状况也会改变，而这些船舶具体的运行环境因素也将在船体结构的失效中有所考虑。因此船体结构的加权失效概率由各短期失效概率再结合船舶营运中可能遭遇的各种海况的分布情况得到。通过分析船舶在具体航行环境下的浪向、波浪频率以及船舶装载工况出现的概率，对短期海况下的结构失效概率进行加权，从而获得船体结构加权失效概率：
式中：为船舶装载分配系数，为波浪的特征周期和有义波高的联合概率，为浪向的概率，N为总工况数。通过将短期海况下的结构失效概率与船舶装载分配系数、波浪周期和波高联合概率以及浪向概率等权函数相乘，使得船体航行时的环境因素得到考虑。对于船舶装载分配系数，根据船舶的实际运营情况或相关规范来确定各工况在整个船体运营时间中所占的比例。而波浪的特征周期和有义波高的联合概率可根据船舶航行区域的海浪谱资料获得。浪向的概率则一般认为其服从均匀分布，亦可根据船舶航行的实际情况或航区的海浪资料求出。
2.3结构破损影响因子
由于船体构件结构形式和位置的不同，导致了各个构件对于总纵船体强度的贡献各异。因此除考虑船体结构在波浪载荷作用下的失效概率以外，同时应该考虑结构失效对于船体总纵极限强度的影响。通过有限元法，利用船体有限元模型计算结构完全失效后船体的剩余极限强度和完整船的极限强度，使用两者的比值作为衡量结构失效后对于船体总纵强度的影响。
2.4传感器的布置
在结构监测的实际操作中，通常将传感器焊接或使用高粘性胶将传感器粘连到被测结构构件上，而这导致了传感器的拆除和更换较为困难。同时考虑到船体航行周期时间长，在航运中不便进行维护和修理，为避免由于传感器失效导致的结构监测失效，通过冗余设计，两种具有一定抗损能力的传感器布置方式被给出，并对这两种布置方式所适用的结构构件以及传感器的自我检验进行了叙述。
结语：
总之，在船舶的维修过程中，由于船上设备的拆除操作会破坏掉船舶整体结构上的受力平衡，在安装新的设备之后，船体需要重新建立起力的平衡关系，这个时候就可能会使船体发生不可逆变形，进而影响到结构的力学性能，甚至影响到某些大型设备的安装和使用；虽然在维修过程中，船体结构通常不会发生很大的变形量或者达到很高的应力水平，但是船上大型设备的拆除和安装，极有可能对船体结构造成较大影响，对于某些对安装精度要求高的设备来说就会达到无法承受的量级。所以对于具有特殊用途的船舶或海洋工程结构在维修期内的应力变化和变形的实时监测有其必要性。
参考文献：
[1]船舶变形质量监控与检验[J].程时登.中国水运.2014（10）
关键词：风险；船体结构；监测点；优化布置
1船体强度监测国内研究现状
国内对于监测系统相关技术的研究起步较晚，近年来结构监测技术经过不断的发展，己经逐渐推广到船体结构安全性研究领域。
在2006年该中心与上海自动化仪表所合作，开发出了一套结构应变监测系统，该系统能够对耐压壳体结构的应力、应变特征进行长期的监测。2009年系统得到了升级和改进。2010该中心开始整理前期试验和研究所得的数据，并总结经验，在此基础上逐步进行船体长期监测系统的开发工作。最后在2011年底完成了系统鉴定，并逐步在实船上得到应用，慢慢出现在船舶与海洋工程装备的市场上。2011年，天津大学的梁文斌等人设计了船舶健康监测的整体方案，对传感器进行了优化，用双光纤光栅技术对整船体的弯矩以及载荷进行了检验。哈尔滨工程大学的任慧龙、贾连徽等人基于光纤光栅传感技术和数据库技术设计开发了一套船舶结构应力监测与评估系统。该系统具有不同工况下的船体应力监测和结构强度的评估等功能。
目前，就国内船体强度监测与实时评估系统的发展而言，我国与国外相比存在较大差距，主要体现如下：
（1）技术成熟度的差距。目前，国内现存的船体强度监测与实时评估系统主要根据其所使用的传感器进行分类。这些传感器主要有：电阻应变片、电阻应变盒、基于LVDT技术的长基线应变仪、光纤光栅传感器、光纤传感器。目前，国外的研究热点集中在：传感器全光纤化、监测范围全船化、监测信号传输无线化。国内学者在这些方面的研究较少，与国外存在一定的差距。
（2）产品覆盖面的差距。目前，国外在船体强度监测与实时评估系统方面基本实现了全覆盖，这种全覆盖是指：传感器的全覆盖、监测点或监测剖面的全覆盖、后处理系统功能的全覆盖、监测船型的全覆盖。在国内，以上几点都处于起步阶段。
（3）监测数据后续应用的差距。在以英国、美国和挪威为代表的西方发达国家中，将监测系统得到的数据经过实时处理后，一方面用于船体强度的实时评估，另一方面全部存储作后续应用于船型的优化设计、评估先期载荷预报的合理程度、间隔一段时间评估船体的损伤程度并及时调整维护方案。在国内，在实船上的应用很少，获得的监测数据数量也十分有限，在工程上也没有对数据的后续应用。
2船体结构监测点的布置方法
2.1船体结构的短期失效概率
根据波浪载荷理论，认为海浪在短时间内是均值为0的平稳正态随机过程。因此，线性的海浪波浪载荷所对应的随机过程亦将是均值为0的平稳正态的。由波浪载荷线性响应系统可知，波浪载荷的谱密度可以表达为：
式中：Sζ（ω，H1/3，Tz）为海浪谱密度函数，SW（ω，H1/3，Tz）为波浪载荷的谱密度函数，ω为波浪圆频率，H1/3为有义波高，Tz为波浪的特征周期，H（ω）应力响应的模。
根据船体结构图建立有限元模型来模拟实船结构。依据船舶装载手册和船舶实际的运营环境，通过海浪资料获得海浪谱密度函数，并对船体有限元模型施加外部载荷。使用有限元软件Nastran进行有限元分析，即可计算出各个工况下的船体结构任意部位的结构响应函数H（ω），根据式（1）得到波浪载荷的谱密度函数SW（ω，H1/3，T2）。
假定船舶在波浪中航行的短期结构应力幅值服从瑞利分布，故结构应力幅值的概率密度函数和分布函数如下：
式中参数k可以根据波浪载荷的谱密度函数求得：
根据序列统计原理，以瑞利为初始分布，可求得应力幅值的极值分布概率密度函数和分布函数为：
式中n为船舶的运营时期内遭遇应力峰值的个数。
在船体结构的承载能力上，本文主要考虑结构的屈服破坏，并假定钢材屈服极限服从正态分布，其概率密度函数表达式如下：
式中：μC为均值，一般取钢材屈服极限；σC为相应的标准差。
引入结构可靠性理论，认为载荷对船体结构的作用为D，船体结构的承载能力为C，船体结构失效函数M=C-D，当C与D是独立的随机变量时，结构失效概率为：
联立式（6）-（8），即可求得船体结构在短期海况下的结构失效概率。
2.2船体结构的加权失效概率
船舶在长期航行时遭遇到不同浪向和频率的波浪，同时由于运营的需要，船体自身的装载状况也会改变，而这些船舶具体的运行环境因素也将在船体结构的失效中有所考虑。因此船体结构的加权失效概率由各短期失效概率再结合船舶营运中可能遭遇的各种海况的分布情况得到。通过分析船舶在具体航行环境下的浪向、波浪频率以及船舶装载工况出现的概率，对短期海况下的结构失效概率进行加权，从而获得船体结构加权失效概率：
式中：为船舶装载分配系数，为波浪的特征周期和有义波高的联合概率，为浪向的概率，N为总工况数。通过将短期海况下的结构失效概率与船舶装载分配系数、波浪周期和波高联合概率以及浪向概率等权函数相乘，使得船体航行时的环境因素得到考虑。对于船舶装载分配系数，根据船舶的实际运营情况或相关规范来确定各工况在整个船体运营时间中所占的比例。而波浪的特征周期和有义波高的联合概率可根据船舶航行区域的海浪谱资料获得。浪向的概率则一般认为其服从均匀分布，亦可根据船舶航行的实际情况或航区的海浪资料求出。
2.3结构破损影响因子
由于船体构件结构形式和位置的不同，导致了各个构件对于总纵船体强度的贡献各异。因此除考虑船体结构在波浪载荷作用下的失效概率以外，同时应该考虑结构失效对于船体总纵极限强度的影响。通过有限元法，利用船体有限元模型计算结构完全失效后船体的剩余极限强度和完整船的极限强度，使用两者的比值作为衡量结构失效后对于船体总纵强度的影响。
2.4传感器的布置
在结构监测的实际操作中，通常将传感器焊接或使用高粘性胶将传感器粘连到被测结构构件上，而这导致了传感器的拆除和更换较为困难。同时考虑到船体航行周期时间长，在航运中不便进行维护和修理，为避免由于传感器失效导致的结构监测失效，通过冗余设计，两种具有一定抗损能力的传感器布置方式被给出，并对这两种布置方式所适用的结构构件以及传感器的自我检验进行了叙述。
结语：
总之，在船舶的维修过程中，由于船上设备的拆除操作会破坏掉船舶整体结构上的受力平衡，在安装新的设备之后，船体需要重新建立起力的平衡关系，这个时候就可能会使船体发生不可逆变形，进而影响到结构的力学性能，甚至影响到某些大型设备的安装和使用；虽然在维修过程中，船体结构通常不会发生很大的变形量或者达到很高的应力水平，但是船上大型设备的拆除和安装，极有可能对船体结构造成较大影响，对于某些对安装精度要求高的设备来说就会达到无法承受的量级。所以对于具有特殊用途的船舶或海洋工程结构在维修期内的应力变化和变形的实时监测有其必要性。
参考文献：
[1]船舶变形质量监控与检验[J].程时登.中国水运.2014（10）