基于支持向量机的架空直立式码头船舶撞击力预测模型

针对现有结构监测方法尚无法对码头的不规范靠泊进行实时监测的问题。提出了一种基于支持向量机的预测模型用于对架空直立式码头船舶撞击力的实时监测。结合架空直立式码头的结构特点,基于广义结构刚度对码头桩基的重要性进行评估,对监测桩基进行优化选择。以重庆新田港码头一期第10结构段为概化研究对象,按1:20的比尺构建码头物理模型,模拟不规范靠泊作用。将采集的优化桩基的应变数据用预测模型进行训练与验证。该预测模型对于撞击力的作用位置识别精度为0.98,对于撞击力的作用强度预测的平均相对误差为0.234%。

光纤布喇格光栅器件应力疲劳评价理论研究

光纤布喇格光栅器件应力疲劳特性严重影响着光纤光栅应变传感器的长期可靠性,为了评估光纤光栅器件的应力疲劳特性,分析了光纤光栅应变传感器的封装结构对疲劳评价的影响,并以表面直接粘接的简化模型评估了光纤光栅器件的应力疲劳特性.从简化模型的基本力学与光学特性出发,提出以光谱特性的边模抑制比和带宽作为评价光纤光栅器件疲劳的指标体系,以传感特性的灵敏度、线性度和应变传递效率作为评价粘接层疲劳的指标体系.设计了基于等强度梁的光纤光栅器件加速疲劳实验,疲劳的应力幅度为500微应变,频率为18赫兹;1000万次疲劳实验后,三支光纤光栅的带宽平均增加2.07%,平均应变传递效率和平均灵敏度分别下降4.5%和3.9%,实验结果说明提出的指标体系能有效地区分粘接层和光纤光栅的疲劳,从而验证了该评价理论的可行性.

FBG应变传感器应力疲劳极限传感寿命评估方法

光纤光栅应变传感器在应力疲劳作用下不可避免地出现性能衰退,为了评估其极限传感寿命,从光纤光栅传感原理出发,理论推导了应力疲劳作用引起的满度相对误差表达式,以工业仪表精确度等级作为传感器的极限状态阈值,提出了基于等强度梁的极限传感寿命测试方法.利用该方法评估了高桩码头结构健康监测应用环境中光纤光栅应变传感器的极限传感寿命,以满度相对误差变化4%作为极限失效阈值,对4支传感器进行了1.32亿应力疲劳实验.当疲劳至1.32亿次时,2支传感器达到极限传感寿命,1支传感器接近极限传感寿命,即极限传感寿命约为1.32亿次.实验结果表明,提出的方法能有效地测试不同结构健康监测需求下,光纤光栅应变传感器的应力疲劳极限传感寿命.

水工物理模型水下高精度超声水位测量

针对现有水下超声波水位测量方法精度偏低,无法满足水工物理模型实验测量需求的问题,分析了水下超声波水位测量误差来源和误差量级,综合考虑水声速与渡越时间对测量精度的影响,提出了一种水下高精度超声水位测量方法。首先,分析了超声波换能器间隙误差对声速测量精度的影响,提出了间隙误差计算方法,从原理上消除了水体环境变化对水位测量精度的影响;其次,基于超声波回波信号的包络形态不变原则,采用归一化包络时差法检测超声波渡越时间,并给出了离散数值计算算法流程,以减小信号衰减特性的渡越时间检测的影响。理论分析表明,该方法能从水声速和渡越时间两方面同时减小水位测量误差。为了验证本方法的可行性,开发了实验样机,并进行了计量检定实验,实验结果表明,在400 mm量程范围内,水位测量误差小于0.1 mm,满足水工物理模型实验高精度水位测量需求。

高桩码头基桩损伤的光纤光栅传感阵列识别

为了实现高桩码头基桩损伤的检测,对基桩挠度测量方法、静态损伤特征及损伤识别方法等进行了研究。基于应变与曲率、曲率与挠度的关系,采用两列对称布置的光纤光栅应变传感器阵列,实现了高桩码头基桩损伤前后挠度的测量;推导了多损伤条件下的基桩挠度函数,分析了基桩损伤的静态特征,确定了损伤识别指标;提出了高桩码头基桩分段损伤识别方法,并通过数值仿真与物理模型实验进行了验证。数值计算结果表明,计算损伤与预设损伤的位置基本一致,损伤程度的测量误差最大为3.3%。物理模型实验表明,预设损伤位于实测损伤范围之内,且基桩截面损伤系数与实测损伤程度呈线性关系,线性度为0.8875,即光纤光栅传感器阵列能有效识别损伤。本方法对于损伤前后基桩均适用,且具有物理意义明确,不依赖优化算法,可长期监测等优点,满足高桩码头基桩损伤的监测需求。

内河架空直立式码头群桩重要性评价方法

内河架空直立式桩基数量多、受力条件复杂,为了实现对码头群桩的健康监测,确定不利诱因下桩基的易损伤位置,文章提出一种基于广义结构刚度的重要性评价方法。首先计算在船舶荷载,岸坡滑动推力以及不均匀堆载作用下架空直立式码头不同桩基的重要性系数。用重要性系数对传统层次分析法进行优化,用优化后的层次分析法将3种不同工况下的重要性系数进行组合。最后用色块图的形式直观地表现出来。可以得出桩基重要性系数较大的桩基主要分布在第1、4两排,其中A1、E1的重要性系数均达到了0.06,说明1、4两排桩基是码头桩基中的薄弱桩基。研究结果丰富了码头健康监测研究内容,为传感器的优化布置提供科学依据。

锚头植入式应变均化光纤布喇格光栅测力传感器

将整个光纤布喇格光栅栅区的非均匀应变简化为多个受到均匀轴向应变光纤光栅基元的级联作用,仿真分析了锚头典型锚固深度非均匀应变对光纤布喇格光栅输出光谱的影响,结果表明明常规光纤布喇格光栅无法适用于斜拉索锚头内部轴向非均匀应变测量.为了克服非均匀应变对光纤布喇格光栅应变测量效果的影响,提出了利用毛细管对光纤布喇格光栅栅区进行应变隔离的新型应变均化传感器结构,并对传感器的测量原理与力学特性进行分析,得出毛细管材料与壁厚选型的基本公式.利用碳纤维复合材料作为封装材料,试制出应变均化FRP-OFBG测力传感器,并进行了力学拉伸试验.试验结果表明该传感器具有良好的应变传感性能,且测量量程、刚度满足测量要求.将两只传感器植入试验缆索进行实索张拉试验,缆索张拉过程中,同步监测的光纤布喇格光栅输出光谱未受锚头非均匀应变影响,说明利用毛细管对锚头应变均化的传感器结构方案可行,且光纤布喇格光栅反射谱中心波长与缆索张力呈较好的线性关系,说明锚头植入传感器与锚头结合良好,测力功能满足索力测量需求.

非栅区封装光纤布喇格光栅应变传感特性研究

针对表面粘贴式非栅区封装结构,依据变形等效原理,推导了该结构的应变传递函数,仿真分析了非栅区封装中间段长度与封装材料弹性模量对应变传递效率的影响.分别采用有机环氧胶与金属锌,将两只光纤布喇格光栅用非栅区封装方式固定在同一根钢丝上,进行拉伸试验,试验结果表明:两种材料的拉伸曲线线性度均达到0.99以上,表明两种封装材料的应变传递一致性较好;金属锌封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.142 6nm/KN,环氧有机胶封装结构的应力感知灵敏度平均值为0.130 4nm/KN;各种应变值下,金属锌封装结构的应变传递系数均稳定在0.995左右,而环氧有机胶封装结构的应变传递系数在0.91左右上下波动,金属锌的应变传递效率较有机环氧胶高了近9.34%.试验结果与数值仿真结果较为吻合,可为非栅区封装光纤布喇格光栅传感器的设计提供依据.

基于微弱回波时域相干平均的船舶吃水测量方法

大型船舶的"超吃水"问题受到关注,实现对大型船舶吃水深度的流动灵活测量很重要。针对现有船载式船舶吃水测量方法的局限,提出了一种基于声呐微弱回波信号识别的船舶吃水深度离船检测方法。在详细分析声波信号在水体中衰减耗散特性的基础上,提出利用时域相干平均提高信噪比,提取船体微弱回波信号特征的方法。设计了实验方案,搭建了小比尺船模吃水深度试验系统,获取了船舶竖直边缘与曲面边缘回波信号,并通过对数据的时域相干平均处理,显著提高信噪比,通过对5组吃水测量结果的统计分析发现,吃水深度测量的最大相对误差为3.3%,精度较高,证明采用时域相干平均法提高信噪比的思路是可行的。

中间渠道船舶航行阻力计算方法与试验

中间渠道作为特殊限制性航道,船舶航行阻力是其尺度确定的关键参数。针对现有船舶航行阻力计算方法,分析其适用性,选取考虑了航道宽度和吃水比等因素的俞中奇公式作为中间渠道船舶阻力的参考计算公式,设计中间渠道船舶航行阻力试验方案,并开展3000吨级散货船模航行试验,根据试验结果对俞中奇公式进行修正,利用Flow3D模拟船舶在不同断面系数下中间渠道中航行并提取阻力,验证修正公式的准确性。结果表明,修正后的经验公式计算结果与数模对比,最大误差不超过16.89%。该公式具有较高的计算精度,对中间渠道设计具有重要的参考价值。

双声纳探头差动扫描的挂舷式船舶吃水测量方法

针对现有船载式船舶吃水测量方法的局限,提出了一种基于双声纳探头差动扫描的挂舷式船舶吃水测量方法。在详细分析船舶弧形轮廓外形基础上,利用双声纳探头差动扫描技术,建立测量船舶吃水量的数学模型,设计了一种船舶吃水测量方法。设计了实验方案,搭建了小比尺船模吃水深度实验系统,获取了小比尺船模吃水深度,通过对5组吃水测量结果的统计分析发现,小比尺船模吃水深度测量最大相对误差为4.87%,精度较高,满足实际工程误差要求,验证了该设计方案的可行性。

基于随机森林的内河架空直立式码头损伤诱因反演模型研究

为研究对码头结构损伤不良诱因作用的反演,在内河架空直立式码头物理模型上进行试验,分析码头在超限堆载和不规范靠泊两种损伤诱因作用下的应变规律。结合三峡库区架空直立式码头损伤诱因反演分析,提出基于随机森林的损伤诱因反演模型,并使用物理模型的试验数据对模型进行评估。结果表明:由物理模型试验得到靠江侧和靠岸侧基桩轴向应变分布规律,靠江侧轴向应变特征较靠岸侧明显,更适合作为反演输入;随机森林反演模型能够对物理模型损伤诱因的类型、位置、强度进行较为准确的反演,损伤类型的精度达到0.98,损伤位置的精度达到0.99,损伤强度的精度达到0.99。

大型港工系船柱结构安全监测方法与实验

现有的结构安全监测方法尚无法完全满足复杂系泊条件下系船柱结构安全监测的需要。针对系船柱结构及系缆特点,提出了标准条件系缆力的概念与指标。以此为基础,依据弹性力学原理推导了标准条件系缆力反演模型,并根据缆力方向的范围与反演模型的应变监测点要求,研究了系船柱表面多点应变布置方案,提出了基于多点应变融合的系船柱结构受力安全监测方法。针对系船柱应变分布特点与长期监测要求,研究提出了应变均化的布拉格光纤光栅传感器表面焊接传感方案,并在1 500 kN系船柱上成功部署了5支应变传感器与1支温度传感器,开展了长时间连续监测。通过分析标准条件反演缆力与船舶实际缆力值,标准条件系缆力反演误差最大为8.1%。证明该方法具有较强的可行性与操作性,能有效实现港工既有系船柱结构的安全状态监测与预警。

基于激光入射光斑识别的非接触式波高测量

为了实现水工物理模型实验中波高这一重要参量的高精度测量,提出了一种基于激光入射光斑识别的非接触式波高测量方法。构建了波高测量装置的图像成像几何关系模型,研究了波高测量装置主要参数的确定方法。根据激光入水二值化图像特征构造了激光入水特征模板,提出了激光光斑动态跟踪算法。最后,根据确定的结构参数与图像传感器参数,搭建了实验装置,对波高传感器进行了标定,并利用标定曲线对电动位移平台模拟的波浪进行了测量。实验结果表明:实测位移与电动位移平台设定的位移基本吻合,最大误差仅为0.65 mm。该方法基本满足水工物理模型实验波高测量的高精度、非接触与高动态性等需求。

锚头内部非对称横向作用力对植入式FBG传感器传感性能的影响分析

锚头内部分布式应变测量是“智能缆索技术”的关键难题。通过对锚头内部轴向分布式应变监测方案的分析,推导了在非对称横向作用力作用下,FBG 两个偏振方向的中心波长变化关系式。利用 ABAQUS 建立了 LMLPES7-211 型典型锚头结构的有限元仿真模型,在给定约定边界条件下对锚头内部结构的受力状态进行了模拟计算分析,获得了不同锚固深度传感器植入位置的横向应力值。根据典型位置非对称横向作用力值仿真分析了不同锚固深度横向作用力对 FBG 传感器性能的影响,分析发现由于 2 个方向的应力大小不同,虽产生较小的应力双折射现现象,但 FBG 径向 x,y 方向的波长差值均小于 1 pm,且输出光谱也未出现裂变、抖动的情况,说明传感器植入位置处锥形锚杯横向作用力对FBG 应力双折射的影响较小,可不考虑其影响。

基于标准系缆力反演的系船柱结构安全评估方法

为保障系船柱结构安全,提出基于标准系缆力反演的系船柱结构安全评估方法,将固定系缆高度和系缆角度下的系缆力作为标准系缆力,分析系缆力对系船柱表面应变的影响,并将系船柱表面应变作为表征系缆力的参数,建立系船柱标准系缆力反演模型。针对现有系船柱结构,利用有限元方法分析系船柱结构表面应变分布特性。选取有限测点应变反演标准系缆力,与有限元仿真结果进行对比。结果表明,反演结果具有较高精度,可监测复杂系泊情况下的系船柱的受力特性;将标准系缆力与设计系缆力进行比较,能够评估系船柱结构安全。

北江清远枢纽二线船闸水力特性原型观测及实船试验

清远二线船闸平面尺度较大,且采用槛梁结合形式的新型消能工,为了解船闸充泄水水力特性、停泊条件和双线船闸之间的相互影响,并提出解决办法,确保船闸安全高效地运行,开展了水力学原型观测及实船试验,对清远二线船闸水力特性等运行参数进行详细观测,并对各项指标进行分析。试验结果表明:在现有的运行方式下,闸、阀门运行状态良好,各项水力指标均满足规范设计要求,但由于一、二线船闸于同岸并列布置,二线船闸建成后导致一线船闸边界条件发生改变,一线船闸上游靠船墩距离二线船闸进水口较近,二线船闸灌水时,对一线船闸靠船段水流条件有一定的影响,因此应加强一、二线船闸的联合调度。

基于结构动力学特性的高桩码头横向排架传感器优化布置方法

为了对高桩码头结构健康监测系统中的传感器布置提供理论指导,提出了一种基于结构动力学特性的传感器优化布置方法。在对高桩码头代表性结构单元横向排架进行结构动力学分析的基础上,运用模态应变能法选择高桩码头横向排架传感器初始测点;建立初始模态矩阵,然后利用模态置信度法和序列法对模态矩阵进行迭代、优化,确定传感器测点布置。建立了单个横向排架的数值仿真模型,利用传感器优化布置方法得到横向排架7根桩基的传感器测点布置结果,并对测点布置进行评估。模态向量间的夹角趋于正交,传感器布置方案有效,证明该传感器优化布置方法适用于高桩码头的传感器优化布置。

嘉陵江利泽船闸原型观测试验

新建嘉陵江利泽船闸平面尺度较大、输水系统简单、输水系强度大,需通过原型观测获得船闸运行特性。原型观测结果表明:船闸左右两侧人字门、阀门同步性较好,但阀门启闭速度较设计要快;阀门以Tv=3.7min开启,船闸闸室充水时间7.4~7.9min,泄水时间8.3min,船闸超灌和超降值分别为16cm和11cm;500t级满载船舶,充、泄水过程船舶闸室系缆力均较小;船闸上下游引航道口门区通航水流条件较好。

金属化粘接层对FBG应变传感性能的影响

根据光纤布拉格光栅(FBG)应变传递模型,仿真分析了粘接层弹性模量、长度、厚度和泊松比对FBG应变传递效率的影响。分析结果表明,金属化粘接层应变传递特性优于环氧胶粘接层;金属化粘接层越长,FBG应变灵敏度越高,稳定性越好;厚度越小,应变传递效率越高,泊松比的影响可以忽略。采用新研制的FBG金属化连接技术将FBG封装到钢丝上,对不同粘接长度、粘接材料的FBG进行了拉力试验。实验结果表明,当Zn粘接层长为15mm、20mm时,FBG平均应变灵敏度为1.076pm/με、1.099pm/με,平均应变传递效率分别为0.948、0.962;金属化连接的FBG应变传递系数相比环氧树脂胶连接方式提高8.9%。理论与实验相一致。