大型邮船房舱门窗开口结构的起浮过程变形监测.pdf

第 卷第期 年 月造 船 技 术Z a o c h u a nJ i s h uV o l N o O c t,作者简介:张威(),男,高级工程师,研究方向为舰船总体工艺文章编号:()D O I:/j i s s n 大型邮船房舱门窗开口结构的起浮过程变形监测张威,叶飞,郭苏琪(上海船舶工艺研究所,上海 ;上海外高桥造船有限公司,上海 ;中国船舶集团有限公司,上海 )摘要:为排除大型邮船房舱门窗开口结构发生变形的可能性,需要开展变形监测.在大型邮船船体结构完工后的全船起浮过程中,运用高精度激光跟踪仪,对房舱门窗开口结构进行起浮过程变形监测.测量并收集起浮过程不同阶段的房舱门窗开口结构三维坐标数据,经分析对比,掌握房舱门窗开口结构起浮过程变形情况,为大型邮船的结构设计和建造的可靠性与安全性提供数据支撑.关键词:大型邮船;房舱门窗;开口结构;起浮过程;变形监测中图分类号:U 文献标志码:AF l o a t i n gP r o c e s sD e f o r m a t i o nM o n i t o r i n go fO p e n i n gS t r u c t u r eo fP a s s e n g e rC a b i nD o o ra n dW i n d o wi nL a r g eC r u i s eS h i pZ HAN G W e i Y EF e i GUOS u q i 敭 S h a n g h a i S h i p b u i l d i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e S h a n g h a i C h i n a 敭 S h a n g h a iW a i g a o q i a oS h i p b u i l d i n gC o 敭 L t d 敭 S h a n g h a i C h i n a 敭 C h i n aS t a t eS h i p b u i l d i n gC o r p o r a t i o nL i m i t e d S h a n g h a i C h i n a A b s t r a c t I no r d e r t oe l i m i n a t e t h ed e f o r m a t i o np o s s i b i l i t yo f o p e n i n gs t r u c t u r eo fp a s s e n g e r c a b i nd o o r a n dw i n d o wi n l a r g ec r u i s es h i p t h ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gs h o u l db ec o n d u c t e d 敭D u r i n gt h ew h o l es h i pf l o a t i n ga f t e r c o m p l e t i o no fh u l ls t r u c t u r ei nl a r g ec r u i s es h i p t h ef l o a t i n gp r o c e s sd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n go fo p e n i n gs t r u c t u r eo fp a s s e n g e rc a b i nd o o ra n dw i n d o wi sc o n d u c t e dw i t ht h eh i g h p r e c i s i o nl a s e rt r a c k e r 敭T h et h r e e d i m e n s i o n a l c o o r d i n a t ed a t ao fo p e n i n gs t r u c t u r eo fp a s s e n g e rc a b i nd o o ra n d w i n d o wi nd i f f e r e n ts t a g e so ff l o a t i n gp r o c e s sa r e m e a s u r e da n dc o l l e c t e d a n dt h ef l o a t i n gp r o c e s sd e f o r m a t i o no fo p e n i n gs t r u c t u r eo fp a s s e n g e r c a b i nd o o ra n dw i n d o wi sm a s t e r e dt h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n w h i c hc a np r o v i d ed a t as u p p o r tf o r t h er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo f s t r u c t u r a l d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f l a r g ec r u i s es h i p 敭K e yw o r d s l a r g ec r u i s es h i p p a s s e n g e rc a b i nd o o ra n d w i n d o w o p e n i n gs t r u c t u r e f l o a t i n gp r o c e s s d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g0 0引言国 产 某 大 型 邮 船 总 长 超 m,排 水 量 达 万t,居住舱室客房超 间,房舱两侧均存在门窗开口结构设计.在船体结构方面,为控制质量和重心,房舱区域使用厚度为 mm的薄钢板进行建造,所有门窗开口结构均拼焊而成.在拼焊过程中,薄板门窗框开口结构因装配焊接等因素较易产生内应力,应力伴随时间进程进行释放,并对结构产生持续变形影响.门窗开口本身会削弱结构强度,使船体产生疲劳变形的概率增加.门窗开口结构在结构完工后发生变形会引起诸多问题:门窗使用出现问题,例如窗户玻璃碎裂和门与框之间无法贴合等;降低结构疲劳性能或导致结构开裂,出现安全隐患.为排除上述问题发生的可能性,提前在产品建造过程中确保产品本身的安全性,同时在产品交付前验证结构设计与建造的可靠性,需要开展大型邮船房舱门窗开口结构的起浮过程变形监测.1 1变形监测方案 监测位置为动态监测房舱门窗开口结构完工后的变形情况,选择位于船体中站面附近共计组房舱门窗开口结构作为监测对象,分别在每组门窗框开口四周设置 个监测点,并对每个监测点进行编号,如图所示.伴随整船起浮过程,记录每个监测点在不同阶段的坐标数据,作为结果分析的对比依据.图舱房门窗开口结构监测点位置编号示例 监测阶段变形监测的数据采集分个阶段进行:浮前,船体结构全部完工,测得处于该状态的房舱监测点平整度数据,并作为初始数据与后续阶段监测数据进行对比分析;浮中,船体处于坞内自由浮态,整个船体在自由浮态下释放残余应力;落墩,待整船在坞内静置后采集房舱的最终平整度数据.对浮前、浮中、落墩的数据进行对比分析,得出房舱门窗开口结构的变形偏差量,掌握在起浮过程中房舱门窗开口结构变形的直观结论,为后续的优化设计提供目标导向.监测设备任务的监测环节涉及自由浮态的数据采集,常规测量仪器例如全站仪等借助水平基准的空间坐标测量设备,无法在动态下完成精准观测.为掌握常规测量手段无法测得的细微变化量,变形监测研究采用美国自动精密工程公司(A u t o m a t e dP r e c i s i o nI n c)的A P IR a d i a nP l u s激光跟踪仪作为测量设备,如 图所 示,其 m内 的 测 量 精 度 为 mm,满足且优于所需要掌握数据的毫米级精度要求.激光跟踪仪的基本原理是通过发出的激光波长计算空间距离,实现方式是在目标位置上放置一个图A P IR a d i a nP l u s激光跟踪仪反射器(通常采用靶球),如图所示.在激光跟踪仪(即基准位置)发射的激光被反射器接收并反射回跟踪仪时,可通过改变光束的方向对准移动的目标.光束返回至设备自身的检测系统,以便测量目标在空间中的位置.设备坐标以激光发射位置的中心为原点,角度盘上的位置方向为x轴,角度盘平面法线的上方向为z轴,右手坐标系规则确定y轴,如图所示.图激光跟踪仪反射器(靶球)图激光跟踪仪坐标系激光跟踪仪可自动跟踪反射器并记录跟踪的测量距离L和竖直角与水平角.通过上述个观测值,根据式(),可获得监测点P的空间三维直角坐标(Px,Py,Pz).PxLc o sc o sPyLc o ss i nPzLs i n()造 船 技 术第 卷第期2 2变形监测过程 监测控制网建立为实现各阶段的三维坐标数据对比,需要将每次监测作业建立在同一空间坐标系下.在房舱四周连续硬档的位置布置公共控制点(简称公共点),建立监测控制网,构建转站模型,如图所示,其中,主站位的空间坐标和转站站位的空间坐标均以公共点(两个站位均可测得的空间坐标)作为基准.每次采集的数据统一在同一坐标系下,实现全过程数据状态一致.图激光跟踪仪转站模型确定第一次监测时的仪器架设位置作为主站位,不进行坐标转换,在后续两次测量中保持该位置为主站位的空间坐标,并按照该方向进行坐标系转站.将浮中和落墩的两次监测位置作为转站站位,并使用转站站位的空间坐标进行测量.需要进行坐标转换以使每次实际测量的坐标与主站位的空间坐标对齐.转站测量坐标转换模型如图所示.图转站测量坐标转换模型根据简单刚性矩阵转换原理,为使转换方程有解,需要满足公共点的个数.设主站位的空间坐标系为A,转站站位的空间坐标系为B.转站站位的空间坐标下的典型测量点为(xi,xi,xi),主站位的空间坐标下的典型测量点为(yi,yi,yi).对齐主站位的空间坐标和转站站位的空间坐标之间的坐标公式为yiyiyiRxixixiT()式中:R为将坐标系B转换至坐标系A的旋转变换矩阵;T为x、y、z轴方向上的平移数,Tt,t,tT.定义个坐标轴方向的旋转角度分别为、,并规定右手螺旋方向为坐标轴的旋转方向.R表示的变换关系为RRRR c o ss i n s i nc o sc o s s i ns i nc o sc o ss i ns i nc o sc o sc o sc o ss i ns i nc o ss i ns i ns i nc o sc o sc o ss i ns i ns i ns i nc o ss i ns i nc o ss i nc o ss i nc o sc o ss i ns i nc o sc o s()式中:R为转站测量坐标系绕x轴的旋转矩阵;R为转站测量坐标系绕y轴的旋转矩阵;R为转站测量坐标系绕z轴的旋转矩阵.由式()可得出参数求解公式,包含待求解参数R和T:yiyiyic o sc o sc o ss i ns i nc o ss i ns i ns i nc o sc o sc o ss i ns i ns i ns i nc o ss i ns i nc o ss i nc o ss i nc o sc o ss i ns i nc o sc o sxixixittt()依照参数(个平移参数、个旋转角度参数、个尺度参数)计算和坐标转换模型,至少需要个公共点求解式().测量误差导致在求解坐标系之间的对齐参数时需要多个公共点,而非只有个.应用激光跟踪仪测量的转站模型设置个公共点,测量控制软件P o l y W o r k s采用的坐标转换方法为最小二乘法.根据式(),可得到转化后的最小二乘参数优化矩阵:张威,等:大型邮船房舱门窗开口结构的起浮过程变形监测yiyiyiTr(xi,xi,xi)ttt()根据式(),通过P o l y W o r k s软件计算可得到转站误差,如表所示.由表可知:由于浮前的激光跟踪仪站位为主站位,其余两个监测阶段的激光跟踪仪站位为转站站位,因此浮前的公共点误差均为;浮中和落墩两个监测阶段转站最大均方根误 差(R o o t M e a nS q u a r e dE r r o r,RM S E)为 mm,偏差可控,两次转站后的数据采集结果有效,可进行被测目标的数据采集.表各监测阶段激光跟踪仪转站误差mm公共点编号 浮前误差浮中误差落墩误差RM S E 数据采集对房舱门窗开口结构进行监测点位置和编号标记,并将固定反射器靶球所用的磁性底座吸附于标记点位,以此作为实际监测点位,如图所示.为避免在测量过程中出现因反射器非正常偏移而产生的测量误差,采用强力胶对磁性底座四周进行封固,确保起浮全过程的监测点位不被人为移动.图磁性底座形式在测量过程中,使用激光跟踪仪逐一对房舱每组门窗开口结构周围的监测点进行空间坐标数据的采集,并实时观察采集数据的完整性,如图所示.在完成每次采集后,通过分析软件可呈现房舱门窗开口结构监测点的位置分布和坐标信息,如图所示,并可分析其他监测点与基准之间的坐标关系.在单次测量时,对相同监测点进行多次的空间坐标采集,可在分析软件上查看重复监测点坐标的离散情况,以此作为一种数据一致性的检查手段.重复上述操作,将完成采集后的数据信息进行导出处理,用于统计分析.图现场数据采集实施图房舱门窗开口结构监测点位置分布示例 数据分析浮中、落 墩 两 阶 段 的 转 站 测 量 坐 标 系 通 过P o l y W o r k s软件计算转站至浮前的主测量坐标系,可得出个监测阶段各监测点在主测量坐标系下的坐标值测量结果.构建参考坐标系,以编号顺序的号点为基准零点,按式()通过P o l y W o r k s软件将主测量坐标系投射平移至参考坐标系中.XiYiZixiyiziT()式中:(xi,yi,zi)为主测量坐标系的任意点;T为将主测量坐标系投射平移至参考坐标系的向量矩阵,T(t,t,t)T;(Xi,Yi,Zi)为主测量坐标系任意点(xi,yi,zi)投射至参考坐标系的点.以号点为基准零点,利用分析软件依次固定排列各监测点的坐标信息.明确基准规则与分析规则,完成所有阶段的监测数据统计分析,并对比在个阶段的坐标变化信息,得出阶段之间的数据偏差.以房舱单组门窗监测数据为例,数据结果依次以监测点编号顺序形成列,并呈现各监测点在各阶段的坐标变化,相同点位在不同阶段的坐标差值,即为偏差值,如表所示.造 船 技 术第 卷第期表门窗监测数据统计mm监测点编号状态x偏差y偏差z偏差 浮前浮中落墩浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 浮前 浮中 落墩 张威,等:大型邮船房舱门窗开口结构的起浮过程变形监测 监测结果将有效的数据进行整理,形成数据偏差,便于直观判断.选 取 的 房 舱 门 窗 开 口 结 构 变 形 量 如图 图 所示.对各房舱门窗开口结构个阶段进行对比,均未出现明显平整度变化,变形量均 mm,浮 中 单 点 最 大 变 形 量 为 mm,落 墩 单 点 最 大 变 形 量 为 mm.图 号房舱门窗开口结构变形量图 号房舱门窗开口结构变形量图 号房舱门窗开口结构变形量图 号房舱门窗开口结构变形量3 3结语通过开展大型邮船房舱门窗开口结构的起浮过程变形监测,对比浮前、浮中、落墩各典型状态的数据变化,选取的房舱门窗开口结构在起浮过程中未出现明显平整度变化,变形量均 mm.由此可知:房舱门窗开口结构在处于起浮过程多状态时的变形是可控的,产生的变形量不会对结构和造 船 技 术第 卷第期后续门窗安装产生消极影响.通过变形监测研究,在不同船体状态的基础上,掌握大量变形监测数据对设计建造和交付后的使用安全具有重要的意义,可为涉及区域的疲劳强度分析和工艺策划提供有效的数值参考,并提前排除设计建造和使用的隐患.变形监测可直观判断由力学作用造成的变形量,为后续工程优化结构设计提供支撑.参考文献孙建志,冯敏超,陈小雨大型邮轮薄板建造变形控制方法J船海工程,():王丙杰,高辰,张亮客滚船大型舷窗窗框结构疲劳强度分析J船舶,():胡玉坤,张文峰,彭攀激光跟踪仪滑轨测量精度分析J城市勘测,():李辉激光跟踪仪多基站转站测量方法与误差补偿研究D大连:大连理工大学,上接第页5 5结论使用有限元软件A b a q u s,通过非线性有限元方法,对中拱和中垂工况条件下的F P S O点蚀船体梁和C F R P修复的点蚀船体梁的中拱极限弯矩和中垂极限弯矩进行比较分析,结论如下:()点蚀使甲板和船底板更容易发生应力集中,改变船体板的应力分布,使船体梁的极限强度降低.使用C F R P修复F P S O点蚀船体梁,中垂和中拱工 况 条 件 下 的 极 限 强 度 分 别 提 高 和 ,使点蚀船体梁的极限强度基本恢复至完整船体梁的极限强度.()胶层在C F R P修复中起到重要作用,一旦胶层 失 效,载 荷 则 无 法 由 钢 板 传 递 至C F R P,C F R P无法承担载荷.胶层由两端向中间开始逐渐失效,至中间先由点蚀部分失效再逐渐扩散至整块胶层.在船体梁达其极限强度时,胶层未失效,说明C F R P可有效修复F P S O点蚀船体梁,为船舶的高效修复提供一种新的方式.参考文献李松,焦楚杰,何松松,等 C F R P约束钢管高强混凝土轴压短柱承载力的极限分析J工程科学与技术,():HUANGC,CHE N T,X I AZ,e ta l N u m e r i c a ls t u d yo f s u r f a c e f a t i g u ec r a c kg r o w t h i ns t e e l p l a t e sr e p a i r e dw i t h C F R PJ E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s,(O c t ):WE IC,S HAOYB,CHE NC,e t a l A x i a l c o m p r e s s i v es t r e n g t h o fp r e l o a d e d CH S s t u b ss t r e n g t h e n e d b yC F R PJ M a r i n eS t r u c t u r e s,(J u l):()施兴华,任恒嘉,许文强,等 C F R P修复含裂纹加筋板极限强度仿真研究J中国舰船研究,():刘鹏阳钢质构件损伤碳纤维水下修复加固数值模拟D大连:大连理工大学,陈卓异,曾剑波,彭岚,等考虑缺陷位置和C F R P粘贴方式的钢板疲劳性能J中国公路学报,():L IAB,X USH,WAN GYD,e ta l F a t i g u eb e h a v i o ro f c o r r o d e ds t e e l p l a t e s s t r e n g t h e n e dw i t hC F R Pp l a t e sJ C o n s t r u c t i o na n d B u i l d i n g M a t e r i a l s,(J a n P a r tB):()OU J L,S HA O Y B,WAN G D F,e ta l A x i a lc o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f c o r r o d e d c o n c r e t e f i l l e dc i r c u l a rs t e e lt u b u l a rs t u b ss t r e n g t h e n e d w i t hC F R PJ M a r i n eS t r u c t u r e s,(J u l):()毕欣,邵永波,熊川楠,等 C F R P加固承载状态下含腐蚀圆钢管混凝土轴压短柱力学性能研究J建筑钢结构进展,():P A I KJK,L E EJ M,HWANGJS,e ta l At i m e d e p e n d e n t c o r r o s i o nw a s t a g em o d e l f o r t h es t r u c t u r e so fs i n g l e a n d d o u b l e h u l lt a n k e r sa n d F S O s a n dF P S O sJ M a r i n eT e c h n o l o g ya n dS NAME N e w s,():张彤彤,吴健,李泓运,等 C F R P加固损伤钢板的拉伸及疲 劳 性 能 研 究 J船 舶 力 学,():张威,等:大型邮船房舱门窗开口结构的起浮过程变形监测