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光纤光栅技术：船舶结构健康监测的关键支撑与创新应用

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球贸易和海洋开发活动日益频繁的当下，船舶作为关键的海上运输工具和海洋开发平台，其安全与可靠性至关重要。船舶在航行过程中，长期承受着复杂多变的载荷，如海浪的冲击力、风力、船舶自身的重力以及货物的重量等，同时还面临着恶劣海洋环境的侵蚀，包括海水的腐蚀、潮湿的空气以及强风暴雨等。这些因素使得船体极易产生各种变形和损伤破坏，像裂纹的出现、结构的疲劳损坏以及腐蚀穿孔等。

一旦船舶结构出现严重损伤而未被及时察觉和处理，极有可能引发重大人身事故，造成船员的伤亡，同时也会带来巨大的财产损失，包括船舶本身的损毁、货物的丢失以及对海洋环境的污染等。例如，2020年发生的某起大型货轮在航行途中因船体结构受损，导致船舶在公海发生倾斜，船上货物大量落水，不仅造成了数千万美元的直接经济损失，还对周边海洋生态环境产生了严重的破坏。因此，对船舶进行实时健康监测和评估，及时发现潜在危险并采取有效的预防措施，对于提高船舶航行的安全性能，保障海上人员生命和财产安全，以及维护海洋生态环境具有重要意义。

光纤光栅作为一种新型的光纤传感器件，在船舶结构健康监测领域展现出了独特的优势。它体积小巧，这使得在船舶有限的空间内进行安装布置变得相对容易，不会占据过多的空间，对船舶原有的结构和布局影响较小；具备极强的抗电磁干扰能力，船舶上存在着众多复杂的电子设备和强大的电磁场，普通传感器容易受到电磁干扰而影响测量精度和稳定性，光纤光栅传感器则不受这些电磁干扰的影响，能够稳定可靠地工作；耐腐蚀能力强，在充满腐蚀性海水和潮湿空气的海洋环境中，依然能够长时间保持良好的性能，保证监测数据的准确性和可靠性；并且易于大规模组网，可以在船体的不同部位布置多个光纤光栅传感器，构建起一个全面的监测网络，实现对船舶结构全方位、多参数的实时监测。

光纤光栅技术能够实现对船舶结构的应力、应变、温度、振动等关键参数的精确测量。通过对应力和应变的监测，可以及时了解船体结构在各种载荷作用下的受力情况，判断结构是否处于安全状态，当应力或应变超过设定的阈值时，及时发出警报，为船舶的安全运行提供预警；对温度的监测可以帮助发现船舶设备运行过程中的异常发热情况，预防因温度过高导致的设备故障和火灾等事故；对振动的监测能够分析船舶的振动特性，检测出潜在的结构损伤和故障，因为结构损伤往往会导致振动响应的变化。通过这些关键参数的监测数据，运用先进的数据分析和处理方法，能够对船舶结构的健康状况进行准确评估，及时发现早期损伤和潜在故障，为船舶的维护和修理提供科学依据。这不仅有助于提高船舶的安全性和可靠性，减少事故的发生概率，还可以通过合理安排维护计划，避免过度维护或维护不足的情况，降低船舶的运营和维护成本，延长船舶的使用寿命，从而为船舶行业的可持续发展提供有力支持。

1.2国内外研究现状

在国外，光纤光栅在船舶结构健康监测领域的研究起步较早。早在20世纪90年代，欧美等发达国家就开始投入大量资源进行相关研究。美国海军率先开展了光纤光栅传感器在舰艇结构监测中的应用研究，旨在实时掌握舰艇在复杂海洋环境下的结构健康状况，提高舰艇的作战性能和生存能力。通过在舰艇关键部位布置光纤光栅传感器，如船体梁、甲板、舱壁等，实现了对应力、应变、温度等参数的长期监测。研究结果表明，光纤光栅传感器能够准确捕捉到舰艇在航行过程中由于海浪冲击、武器发射等因素引起的结构响应变化，为舰艇的维护和保养提供了有力的数据支持。

欧盟也积极推动光纤光栅技术在船舶领域的应用，组织了多个大型研究项目，如“SmartShip”项目。该项目集合了众多科研机构和企业的力量，致力于开发基于光纤光栅的船舶智能监测系统。通过对不同类型船舶进行大量的实验测试和数值模拟，研究人员深入分析了光纤光栅传感器的安装位置、测量精度、长期稳定性等关键问题，并提出了一系列优化方案。例如，在传感器安装方面，采用了新型的粘结剂和封装工艺，提高了传感器与船体结构的耦合效果，确保了测量数据的准确性；在数据分析方面，引入了先进的机器学习算法，实现了对船舶结构健康状况的自动评估和故障预测。

在国内，光纤光栅在船舶结构健康监测领域的研究近年来也取得了显著进展。众多高校和科研机构纷纷开展相关研究工作，如哈尔滨工程大学、大连理工大学、中国船舶科学研究中心等。哈尔滨工程大学针对船舶结构的特点，研发了一系列高性能的光纤光栅传感器，包括耐高温、耐高压的光纤光栅应变传感器和温度传感器。通过在实船试验中对这些传感器的性能进行验证，发现它们能够在恶劣的海洋环境下稳定工作，准确测量船舶结构的力学参数和温度变化。同时，该校还开展了基于光纤光栅监测数据的船舶结构损伤识别方法研究，提出了一种基于小波分析和神经网络的损伤识