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光纤光栅在船舶结构健康监测中的关键技术研究

王为  
【摘要】:船舶通常工作于复杂恶劣的自然环境中,各种载荷和环境不断侵蚀船体,造成船体结构损伤和破坏,进而引发各种严重事故,导致人和物的巨大损失和环境污染。因此对船体结构进行实时健康监测是非常必要。光纤光栅传感器作为一种新型的光纤传感器,具有体积小、抗电磁干扰能力强、易于组建传感网络等许多独特优点,为船舶结构健康监测提供了新的途径。 课题围绕船舶结构健康监测系统的传感与检测系统、信号处理与分析系统展开,重点研究光纤光栅传感器用于船舶结构健康监测的各种关键技术。论文 主要内容如下: 1、研究了光纤光栅传感器的应变、温度交叉敏感问题,选用“参考光栅法”作为船体结构健康监测的温度补偿方法;理论分析了横向应力作用下光纤光栅传感器的波谱特性,及表面式光纤光栅传感器的应变传递规律。在此基础上,研究了适用于船体结构和航行环境的光纤光栅传感器封装结构。 2、运用有限元仿真和理论分析方法,研究了水面船舶和潜水器强度弯矩监测的光纤光栅传感器配置原则;提出了船体波浪砰击载荷监测的光纤光栅传感器优化配置准则,运用改进型自适应粒子群优化算法,结合混沌搜索算法实现了光纤光栅传感器的快速、高精度优化配置。 3、设计了结合可调谐Fabry-Perot滤波法和干涉法的船舶结构健康监测传感网络与解调系统;重点研究了基于非平衡Mach-Zehnder干涉仪和相位载波零差法的数字式光纤光栅动态解调系统,实验结果显示解调系统在500Hz处的动态应变分辨率为0.165με/Hz。 4、研究了适合船舶强度弯矩信号处理的数字滤波技术;提出了基于连续小波变换和匹配滤波的波浪砰击信号频率、幅值等参数估计技术,实现了砰击信号参数的无偏、有效估计。 5、建立了基于随机载荷统计分析的船体结构疲劳寿命评估流程;重点研究了船体关键位置的疲劳寿命模型、应力循环计数、疲劳损伤累计准则三项关键技术。 6、针对船体常见的T型节点结构损伤特点,提出了基于光纤光栅应变传感网络的静态损伤识别方法,运用支持向量机技术识别了结构损伤程度。针对船体结构疲劳破坏萌生的微小断裂损伤,提出了基于振动信号小波包分解和统计过程控制理论的动态损伤识别方法,并运用智能算法实现了损伤位置、损伤程度的同时有效识别。 论文的主要创新工作包括: 1.建立了波浪砰击载荷监测的光纤光栅传感器优化配置准则,并运用提出的改进型自适应粒子群优化算法实现了传感器配置方案求解。 2.针对船体T型节点结构,提出了基于光纤光栅应变传感网络和支持向量机技术的智能结构损伤识别方法。 3.构建了振动信号小波包节点能量相对变化率之和的损伤识别指标,结合统计过程控制理论对船体结构微小断裂损伤进行了识别,消除了测量噪声等对损伤识别的影响。 4.运用连续小波变换技术和匹配滤波技术实现了船体波浪砰击载荷信号的参数估计。


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