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声发射技术在船舶结构健康监测中的应用
在役声发射 (AE) 监测能够对主要结构细节区域进行全局监测，以便尽早发现活动裂纹和损伤演变。AE 源严重程度是缺陷严重程度和相关结构风险的量度，从而减少了基于传统检查和建模方法的结构评估中的当前不确定性。当与应变监测和断裂力学分析的最新发展相结合时，它是一种用于疲劳裂纹检测和全寿命损伤评估的强大工具，具有提高平台可用性的潜力。本文概述了金属中稳定疲劳裂纹扩展的底层物理原理以及相关微断裂事件产生的声发射。给出了在役船体结构细节全局 AE 监测的示例。描述了用于建模疲劳裂纹扩展和相关声发射的新型分析软件，该软件结合了我们对原子尺度断裂力学理解的最新发展。用于检测海洋钢结构疲劳损伤的 AE 传感频带通常在 50 到 300 kHz 之间，具体取决于背景噪声。最大可接受缺陷尺寸定义了所需的 AE“可检测性”。可检测性取决于裂纹扩展步骤的大小和速率，这决定了传感器间距和监测持续时间，以实现可靠的检测、定位和评估目的。疲劳损伤评估和裂纹寿命预测的重要附加信息是所关注结构细节中关键位置的标称循环应变。此裂纹寿命预测与 AE 一起提供了船舶经历的结构疲劳响应曲线。了解与测量的 AE 相关的操作和环境概况将为结构生命周期管理提供基础。作为 USCG VALID 项目的一部分，给出了“USCGC BERTHOLF”上潜在疲劳敏感结构细节的临时结果。概述了在英国海军舰艇上的类似更大规模应用。
船舶疲劳寿命评估与预测...
通过分析全尺寸船舶结构监测数据评估和预测船舶结构的疲劳寿命 Lt Salvatore La Marca（意大利海军）、Giovanni Cusano（CETENA S.p.A.） 设计未来海军舰艇的实际主要目标是提高性能、强度和寿命，同时降低重量、油耗、脆弱性和特征。目前可用的设计工具（数字代码、FEM/BEM 模型等）为设计师提供了很大的帮助，使他们能够以相对有限的精力和时间探索多种替代解决方案：无论如何，考虑到船舶结构疲劳效应的船舶寿命预测目前还无法以高可承受水平实现。在船上安装和运行自动船体监测系统 - 从多个传感器获取数据并从结构强度和疲劳寿命的角度对其进行分析 - 可以建立一个与船舶在运行条件下的行为相关的信息数据库。CETENA 设计和开发的 HMS（船体监测系统）已安装在意大利海军拥有和运营的许多船舶上，从护卫舰到航空母舰：该系统监测和记录船舶刚体运动、作用于船体的压力、船体梁的弯矩、结构细节的局部应变、海况和船舶的所有运行条件的数据；此外，它通过雨流法计算船舶结构经历的疲劳循环次数、幅度和平均值。CETENA 和意大利海军联合设计并由 CETENA 开发的后处理工具可以简单地分析这些数据，其中包括在可配置的时间范围内对统计和疲劳数据进行长期推断：根据前几年经历的应力和疲劳循环，通过适当的推断算法评估未来作用于船舶结构的最大应力和预期的疲劳寿命。主要附加值在于一方面可以从 CBM 角度管理船舶结构的维护，另一方面可以根据船舶的设计运行情况评估船舶在过去和未来几年的有效行为：这样，未来船舶的设计可以得到改进，并更好地根据海军的具体需求进行定制。意大利海军采用的疲劳寿命估算和基于经验和测量数据的设计方法的下一步是扩展 HMS 功能：CETENA 正在开发的新系统不仅会通过船上的实际传感器获取信息，还会通过“虚拟”传感器获取信息，即它将根据系统内部实施的 RAO 评估应力和疲劳循环，从而增加测量点的数量而不会对船舶产生影响（不添加传感器或电缆）：计算值将与配备传感器的其他点的测量值进行交叉检查，即使在“虚拟”传感器中也能获得可承受性。就轻质复合材料的使用而言，意大利海军舰艇也进行了许多改进：这种创新结构也经常由 CETENA 定制的监控系统进行测量和监控，以评估其设计并获取有关其在运行条件下的行为的知识，最终目的是改进其未来舰艇的设计。