船体动态结构调节系统及调节方法与流程

本发明涉及船体工程，尤其涉及船体动态结构调节系统及调节方法。

背景技术：

1、近年来，随着计算机辅助设计、材料科学进展以及智能化控制技术的发展，新型的船体动态结构调节方法开始引起关注。这些方法利用先进的传感器技术、实时数据分析和自适应控制算法，能够实现对船体结构在动态负载下的实时监测和调节，并通过多源数据融合和智能化决策，可以实现船体结构在不同工况下的优化调节，从而提升船体的安全性、舒适性和能效性能。然而，传统上的船体结构调节方法主要依赖于静态设计和定期维护，这些方法难以应对船体在不同运行条件下的动态结构响应，往往存在着结构刚度不足以及振动监测不准确的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供船体动态结构调节系统及调节方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、船体动态结构调节方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：在船体航行过程中，通过在其船体结构的各个关键部位安装传感器以构建船体航行传感动态监测网络；通过船体航行传感动态监测网络对船体航行过程中的船体结构状态进行实时监测，以得到船体结构航行状态传感数据集，其中船体结构航行状态传感数据集包括船体结构航向倾斜角度数据、船体结构航向施加应力状况数据以及船体结构航行振动状况数据；

5、步骤s2：基于船体结构航向倾斜角度数据、船体结构航向施加应力状况数据以及船体结构航行振动状况数据对船体航行过程进行动态结构模型数字化处理，以生成船体动态结构数学模型；

6、步骤s3：通过船体航行过程获取船体结构航行实时海况数据以及船体结构航行实时航速数据，并基于船体结构航行实时海况数据以及船体结构航行实时航速数据对船体动态结构数学模型进行航行模拟控制策略设计，生成船体动态结构航行模拟自适应控制策略；

7、步骤s4：通过在船体航行过程中的船体结构上布置航行调节执行机构，并基于船体动态结构航行模拟自适应控制策略响应于航行调节执行机构对船体航行过程中的船体结构进行动态响应调节，得到船体动态结构响应调节结果。

8、进一步的，步骤s1具体包括以下步骤：

9、步骤s11：在船体航行过程中，通过在其船体结构的各个关键部位安装角度传感器、压力传感器以及振动监测传感器，其中角度传感器的安于船尾和船首，压力传感器安装在船体结构的承载部位或者受力集中区域，振动监测传感器布置在船体的振动易发区域，并根据角度传感器、压力传感器以及振动监测传感器构建船体航行传感动态监测网络；

10、步骤s12：通过船体航行传感动态监测网络内的角度传感器对船体航行过程中的船体结构进行倾斜角度实时监测，得到船体结构航向倾斜角度数据；

11、步骤s13：通过船体航行传感动态监测网络内的压力传感器对船体航行过程中的船体结构进行航向应力实时监测，得到船体结构航向施加应力状况数据；

12、步骤s14：通过船体航行传感动态监测网络内的振动监测传感器对船体航行过程中的船体结构进行航行振动实时监测，得到船体结构航行振动状况数据；

13、步骤s15：对船体结构航向倾斜角度数据、船体结构航向施加应力状况数据以及船体结构航行振动状况数据进行数据合并，以得到船体结构航行状态传感数据集。

14、进一步的，步骤s11包括以下步骤：

15、步骤s111：通过在船体航行过程中船体结构的各个关键部位安装角度传感器、压力传感器以及振动监测传感器，并通过物联网设备对角度传感器、压力传感器以及振动监测传感器进行传感网络布局初设，得到船体航行传感初始布局监测网络；

16、步骤s112：对船体航行传感初始布局监测网络内的各个传感器节点进行布局位置监测，得到各个传感器节点的监测网络布局分布位置；

17、步骤s113：基于各个传感器节点的监测网络布局分布位置对船体航行传感初始布局监测网络内的各个传感器节点进行网络监测范围统计分析，得到各个传感器节点的传感网络监测覆盖范围；

18、步骤s114：基于各个传感器节点的监测网络布局分布位置以及传感网络监测覆盖范围利用传感节点网络监测隙度计算公式对船体航行传感初始布局监测网络内的各个传感器节点进行监测隙度计算，以得到各个传感器节点之间的传感网络监测隙度；

19、步骤s115：根据各个传感器节点之间的传感网络监测隙度对船体航行传感初始布局监测网络内各个传感器节点之间的布局位置进行布局规划调整处理，以得到船体航行传感动态监测网络。

20、进一步的，步骤s113包括以下步骤：

21、步骤s1131：基于各个传感器节点的监测网络布局分布位置对船体航行传感初始布局监测网络内的各个传感器节点进行监测信号传播范围模拟分析，得到各个传感器节点的监测信号模拟传播覆盖范围；

22、步骤s1132：对船体航行传感初始布局监测网络内的各个传感器节点进行传感感知评估分析，得到各个传感器节点的监测传感感知能力数据；

23、步骤s1133：对船体航行传感初始布局监测网络内的各个传感器节点进行信号强度衰减评估分析，得到各个传感器节点的监测网络信号强度衰减数据；

24、步骤s1134：基于各个传感器节点的监测传感感知能力数据以及监测网络信号强度衰减数据对各个传感器节点的监测信号模拟传播覆盖范围进行信号传播影响评估分析，以得到各个传感器节点的信号传播传感感知影响因子以及信号传播强度衰减影响因子；

25、步骤s1135：根据各个传感器节点的信号传播传感感知影响因子以及信号传播强度衰减影响因子对各个传感器节点的监测信号模拟传播覆盖范围进行范围影响调整处理，得到各个传感器节点的传感网络监测覆盖范围。

26、进一步的，步骤s114中的传感节点网络监测隙度计算公式具体为：

27、

28、式中，δ(xi,xj)为第i个传感器节点与第j个传感器节点之间的传感网络监测隙度，i和j均为传感器节点的项次索引参数，xi为第i个传感器节点的监测网络布局分布位置，xj为第j个传感器节点的监测网络布局分布位置，ωi为第i个传感器节点的传感网络监测覆盖范围，ωj为第j个传感器节点的传感网络监测覆盖范围，θ为传感器节点相对方向参数，ρ(xi,xj,θ)为相对方向网络监测效率影响因子，φ为传感器节点覆盖角度参数，α(xi,xj,φ)为覆盖角度网络监测效率影响因子，η为传感网络监测隙度的修正系数。

29、进一步的，步骤s2包括以下步骤：

30、步骤s21：基于船体结构航向倾斜角度数据对船体航行过程中的船体结构进行倾斜响应变形模式挖掘分析，得到船体结构在各航向倾斜角度下的结构响应变形模式数据；

31、步骤s22：根据船体结构在各航向倾斜角度下的结构响应变形模式数据对船体航行过程中的船体结构进行变形特性参数量化分析，以得到船体结构在各航向倾斜角度下的结构变形特性参数；

32、步骤s23：基于船体结构航向施加应力状况数据对船体航行过程中的船体结构进行受力分布统计分析，得到船体结构航行受力分布变化情况数据；

33、步骤s24：基于船体结构航行振动状况数据对船体航行过程中的船体结构进行船体振动特性参数量化分析，得到船体结构航行振动特性参数；

34、步骤s25：基于船体结构在各航向倾斜角度下的结构变形特性参数、船体结构航行受力分布变化情况数据以及船体结构航行振动特性参数对船体航行过程中的船体结构进行动态结构模型数字化处理，以生成船体动态结构数学模型。

35、进一步的，步骤s23包括以下步骤：

36、步骤s231：基于船体结构航向施加应力状况数据对船体航行过程中的船体结构进行航向方位分布分析，得到船体结构在不同航向方位条件下的应力分布大小；

37、步骤s232：对船体航行过程中的船体结构进行材料特性及结构设计连接挖掘分析，得到船体结构材料特性信息数据以及船体结构设计连接关系数据；

38、步骤s233：基于船体结构材料特性信息数据对船体结构在不同航向方位条件下的应力分布大小进行材料特性影响评估分析，得到船体结构材料特性应力分布影响因子；

39、步骤s234：基于船体结构设计连接关系数据对船体结构在不同航向方位条件下的应力分布大小进行连接关系影响评估分析，得到船体结构设计连接关系应力分布影响因子；

40、步骤s235：根据船体结构材料特性应力分布影响因子以及船体结构设计连接关系应力分布影响因子对船体结构在不同航向方位条件下的应力分布大小进行受力变化影响修正分析，得到船体结构航行受力分布变化情况数据。

41、进一步的，步骤s24包括以下步骤：

42、步骤s241：基于船体结构航行振动状况数据对船体航行过程中的船体结构进行船体结构振动频次统计分析，得到船体结构航行振动频次；

43、步骤s242：基于船体结构航行振动频次对船体结构航行振动状况数据进行振动频率谱分析，得到船体结构航行振动传播频率谱；

44、步骤s243：对船体结构航行振动传播频率谱进行振动幅值及模态识别分析，得到船体结构航行振动幅值以及船体结构航行振动模态；

45、步骤s244：根据船体结构航行振动幅值以及船体结构航行振动模态对船体结构航行振动传播频率谱进行船体振动特性参数量化分析，得到船体结构航行振动特性参数。

46、进一步的，步骤s3包括以下步骤：

47、步骤s31：对船体航行过程中的船体结构进行海况环境实时监测，得到船体结构航行实时海况数据；

48、步骤s32：对船体航行过程中的船体结构进行航速实时监测，得到船体结构航行实时航速数据；

49、步骤s33：基于船体结构航行实时海况数据以及船体结构航行实时航速数据对船体动态结构数学模型进行航行模拟处理，以得到船体动态结构模型实时航行模拟过程；

50、步骤s34：对船体动态结构模型实时航行模拟过程进行结构刚度及阻尼形变分析，得到船体动态结构刚度形变状况数据以及船体动态结构阻尼形变状况数据；

51、步骤s35：基于船体动态结构刚度形变状况数据以及船体动态结构阻尼形变状况数据对船体动态结构数学模型进行自适应响应控制策略设计，生成船体动态结构航行模拟自适应控制策略。

52、一种用于执行上述船体动态结构调节方法的船体动态结构调节系统，该船体动态结构调节系统包括：

53、船体结构状态传感实时监测模块，用于通过在船体航行过程中船体结构的各个关键部位安装传感器构建传感监测网络，以得到船体航行传感动态监测网络；通过船体航行传感动态监测网络对船体航行过程进行船体结构状态实时监测，以得到船体结构航行状态传感数据集，其中船体结构航行状态传感数据集包括船体结构航向倾斜角度数据、船体结构航向施加应力状况数据以及船体结构航行振动状况数据；

54、船体动态结构数学化建模模块，用于基于船体结构航向倾斜角度数据、船体结构航向施加应力状况数据以及船体结构航行振动状况数据对船体航行过程进行动态结构模型数字化处理，以生成船体动态结构数学模型；

55、船体结构航行模拟自适应控制模块，用于通过船体航行过程获取船体结构航行实时海况数据以及船体结构航行实时航速数据，并基于船体结构航行实时海况数据以及船体结构航行实时航速数据对船体动态结构数学模型进行航行模拟控制策略设计，从而生成船体动态结构航行模拟自适应控制策略；

56、船体动态结构响应调节模块，用于通过在船体航行过程中的船体结构上布置航行调节执行机构，并基于船体动态结构航行模拟自适应控制策略响应于航行调节执行机构对船体航行过程中的船体结构进行动态响应调节，从而得到船体动态结构响应调节结果。

57、本发明首先通过在船体航行过程中在其船体结构的各个关键部位安装传感器安装相应的传感器(包括角度传感器、压力传感器以及振动监测传感器)，以构建了一个复杂而全面的船体航行传感动态监测网络，这些传感器安装在船体结构的关键部位，每一个传感器都负责捕捉特定的船体参数变化，例如角度、施加应力和振动，从而能够提高了船体结构振动监测数据和数据采集的准确性和精确性。通过传感器对船体航行过程中的船体结构进行航行状态(船体结构的倾斜角度变化、船体结构所受的航向应力以及船体结构在不同工况下的振动特性)的实时监测，从而合并得到全面的船体航行状态传感数据集，这一步骤通过将航向倾斜角度数据、航向应力数据和航行振动数据进行合并，可以综合评估船体在航行过程中的整体状态，这一数据集为船舶管理者和工程师提供了深入理解船体结构性能和健康状况的基础，支持进行有效的运维决策和预防性维护，从而为后续的动态结构处理过程提供了数据支持。其次，通过基于船体结构航向倾斜角度数据、船体结构航向施加应力状况数据以及船体结构航行振动状况数据对船体航行过程中的船体结构进行数字化处理，以生成船体动态结构的数学模型，这一步骤是将实测和分析得到的数据转化为计算机模型的关键过程，能够精确描述船体在运行中的结构动态响应，而生成的数学模型可以用于结构优化设计、性能预测和事故模拟分析，从而为船体结构的安全性、可靠性和效率提升提供科学依据和工程支持。然后，通过对船体航行过程中的船体结构进行海况环境实时监测，以实时监测船体在航行过程中所处的海况环境，这一步骤的关键在于利用各类传感器和测量设备，监测海洋环境因素如波浪高度、波浪周期、风速和风向等，实时采集并记录这些数据，实时海况数据的获取有助于理解船体在不同海况下的运行环境，从而为后续的船体动态响应模拟和控制策略设计提供必要的环境基准。通过对船体航行过程中的航速进行实时监测，可以连续、精确地记录船体的实时航速情况，这些数据不仅反映了船体在航行中的速度变化，还为后续船体动态响应模拟提供了重要的输入参数，而实时航速数据的获取能够帮助分析船体在不同航行速度下的动态响应特性，为优化船体运行效率和安全性提供参考依据。同时，通过基于船体结构航行实时海况数据以及船体结构航行实时航速数据对船体动态结构数学模型进行航行模拟控制策略设计，以生成船体动态结构航行模拟自适应控制策略，这一步骤的关键在于利用先前分析得到的实时海况以及实时航速情况分析出动态结构的响应特性(包括结构刚度以及阻尼形变状况)，设计针对性的响应控制策略，通过自适应控制策略能够根据实时监测到的海况和航速数据，调整船体动态结构的工作参数，以最大程度地降低结构的振动和疲劳损伤，从而提高船体的航行安全性和舒适性，从而提高了船体在不同运行条件下的动态结构响应情况。最后，通过在船体结构上布置航行调节执行机构，并响应于船体动态结构航行模拟自适应控制策略，以实现对船体结构的动态响应调节，这些调节执行机构可以根据模拟策略设计的指导原则，调整船体结构以应对不同的海况和动态结构响应需求，通过动态响应调节，可以优化船体结构的性能，包括减少结构的振动和疲劳损伤，从而提高船体动态结构的刚度。

58、本发明的船体动态结构调节系统由船体结构状态传感实时监测模块、船体动态结构数学化建模模块、船体结构航行模拟自适应控制模块以及船体动态结构响应调节模块组成，能够实现本发明所述任意船体动态结构调节方法，用于联合各个模块上运行的计算机程序之间的操作实现任意船体动态结构调节方法，系统内部结构互相协作，这样能够大大减少重复工作和人力投入，能够快速有效地提供更为准确、更高效的船体动态结构调节过程，从而简化了船体动态结构调节系统的操作流程。

技术特征：

1.一种船体动态结构调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的船体动态结构调节方法，其特征在于，步骤s1包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的船体动态结构调节方法，其特征在于，步骤s11包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的船体动态结构调节方法，其特征在于，步骤s113包括以下步骤：

5.根据权利要求3所述的船体动态结构调节方法，其特征在于，步骤s114中的传感节点网络监测隙度计算公式具体为：

6.根据权利要求1所述的船体动态结构调节方法，其特征在于，步骤s2包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的船体动态结构调节方法，其特征在于，步骤s23包括以下步骤：

8.根据权利要求6所述的船体动态结构调节方法，其特征在于，步骤s24包括以下步骤：

9.根据权利要求1所述的船体动态结构调节方法，其特征在于，步骤s3包括以下步骤：

10.一种船体动态结构调节系统，其特征在于，用于执行如权利要求1所述的船体动态结构调节方法，该船体动态结构调节系统包括：

技术总结
本发明涉及船体工程技术领域，尤其涉及一种船体动态结构调节系统及其调节方法。所述方法包括以下步骤：通过在船体航行过程中船体结构的各个关键部位安装传感器构建传感监测网络，并对船体航行过程进行船体结构状态实时监测，以得到船体结构航向倾斜角度数据、船体结构航向施加应力状况数据以及船体结构航行振动状况数据；对船体航行过程进行动态结构模型数字化处理，以生成船体动态结构数学模型；获取船体结构航行实时海况数据以及船体结构航行实时航速数据，并对船体动态结构数学模型进行航行模拟控制策略设计和动态响应调节，得到船体动态结构响应调节结果。本发明能够实现了对船体动态结构更加精准和有效的调节过程。

技术研发人员：周吉,沈波,徐炼
受保护的技术使用者：招商局金陵船舶（南京）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23