[发明专利]一种基于剪应变的船艏冰载荷测试系统及识别方法

权利要求书

1.一种船艏冰载荷识别方法，该方法基于一种船艏冰载荷测试系统实现，所述测试系统仅适用于具有直线型船艏的极地船舶；其特征在于，所述的测试系统包括阵列式电阻应变计(1-2)、服务器(4-3)、显示屏(4-4)、动态数据采集仪(4-1)和RCCV数据传输导线(4-2)，其中，阵列式电阻应变计(1-2)通过RCCV数据传输导线(4-2)与动态数据采集仪(4-1)连接，动态数据采集仪(4-1)与服务器(4-3)连接，进行数据处理，结果通过显示屏(4-4)显示；

所述的阵列式电阻应变计(1-2)采用双片式剪应变测量方法，由4行、10列应变测点所组成，其中，在水平方向每行包括10组应变计，在垂直方向每列包括4组应变计；每两个阵列式电阻应变计(1-2)为一组应变计，两者之间以相互垂直的方向固定，所测量剪应变方向垂直于外板(2-3)方向，即两个相互垂直的电阻应变计之间夹角中分线与外板(2-3)的方向垂直；每组中的两个阵列式电阻应变计(1-2)采用串联连接，通过RCCV数据传输导线(4-2)与动态数据采集仪(4-1)连接，用于测量电阻阻值变化；

所述的阵列式电阻应变计(1-2)在水平方向的测点布置在4个强肋骨(3-1)表面以及强肋骨(3-1)之间的肋骨(2-4)表面，肋骨(2-4)上下表面被焊接至外板(2-3)上；每个肋骨(2-4)或强肋骨(3-1)上在竖直方向上以1米的间距布置4个测点；

所述的船艏冰载荷识别方法，包括以下步骤：

S1：对船艏建立有限元模型，模型中采用实体单元，针对肋骨(2-4)、外板(2-3)与甲板(3-2)之间连接处的复杂应力特点，此处采用尺寸小于0.1cm的四面体网格，提高反演矩阵的准确率；其余位置采用网格尺寸应小于1cm的六面体网格，提高整体的运算效率；

S2：在有限元模型中对阵列式电阻应变计的测点覆盖区域进行划分，划分为1米×1米的若干个子区域，根据所述测点布局划分为40个子区域；

S3：对每个子区域以静压力方式施加载荷，所加载荷不应使结构变形超出弹性范围；根据所施加荷载与结构变形之间关系，计算得到表示应变与压力之间关系影响系数矩阵；

ε_m＝δ_m×mp_m

式中，ε_m为m个测点的应变；δ_m×m为影响系数柔度矩阵；p_m为m个测点的压力；

所述影响系数矩阵展开为：

S4：对柔度矩阵求逆得到影响系数刚度矩阵C_m×m：

C_m×m＝[δ_m×m]^-1

S5:在海冰和船体相互碰撞过程中采集m个测点的应变信号ε_m；

S6：将应变信号矩阵ε_m带入S4中所测得应变信号进行矩阵运算，并计算得到m个子区域的冰压力分布p_m。

2.根据权利要求1所述的一种船艏冰载荷识别方法，其特征在于，所述测点与外板(2-3)之间的距离为肋骨宽度的1/3处。

3.根据权利要求1所述的一种船艏冰载荷识别方法，其特征在于，两个强肋骨(3-1)之间设有6个肋骨(2-4)，且两个强肋骨(3-1)之间间距小于3米，水平方向测点的间距为1米。

4.根据权利要求1所述的一种船艏冰载荷识别方法，其特征在于，所述的阵列式电阻应变计(1-2)，其分辨率应高于1微应变且测试噪声低于0.1微应变。

5.根据权利要求1所述的一种船艏冰载荷识别方法，其特征在于，所述的动态数据采集仪，其A/D转化器的采样频率高于500Hz，通过平滑曲线对所采集数据进行降噪后的真实采样为采样频率的1/5，因此实际采样频率约为100Hz。

6.根据权利要求1所述的一种船艏冰载荷识别方法，其特征在于，所述的RCCV数据传输导线，其材质采用线径0.1平方的四芯RVVC导线。