本发明涉及船舶建模，特别涉及一种大型船体结构应力场的构建方法。
背景技术：
1、在船舶工程领域的早期，船体结构的监测技术相对简单，主要是通过传感器监测结构特定位置的应变或应力响应，用于评估结构强度。
2、随着船体监测技术的不断进步，虚拟船体监测和仪器化船体监测成为两种主要趋势。虚拟船体监测是一种将船上监测数据和海浪后测数据相结合的技术。该方法使用海浪后测数据、船舶轨迹信息和应力传递函数准确地再现出船体结构某些位置的应力谱，对于结构的疲劳评估十分有利。虚拟监测技术只需要非常少量的传感器就能够估计船体的历史应力和累计疲劳损伤，主要问题在于确保其后测数据来源的可靠性，并且有些时候后测数据难以获取。
3、相比之下，仪器化船体监测方案往往需要布置大量长期服役的结构传感器对船体进行详细监测，无需外部数据来源，仅通过分析结构监测信息识别当前所遭受的环境载荷以获取结构的应力状态。目前，利用船体响应数据识别环境载荷主要有两种思路，一种是波浪方向谱识别，另一种是船体梁的弯矩/扭矩识别。
4、在现有的海浪方向谱识别研究中，船舶的运动和加速度监测信号常用于实际海况的估计。然而大型船舶不会对频率相对较高的海浪做出反应，运动和加速度信号对于长度超过300米的大型集装箱船并不适用。在船体梁的弯矩/扭矩识别研究中，其面临的主要问题在于如何根据有限的监测信息获得更全面、更准确的结构响应。
5、发明人在日常实践中，发现现有的技术方案具有如下问题：
6、使用船体运动数据识别海浪谱参数的方法在评估船体疲劳方面确实具有一定优势。然而，对于大型船体结构而言，高频的波浪载荷对船体的运动影响并不明显。此外，海浪谱参数是一种统计数据，而非实时的船体响应数据，这导致在结构强度评估和预警方面存在一定的时滞性不足。
7、利用船体表面应变监测数据识别船体横截面上的弯矩和扭矩具有实时反映船体受力情况的优势。然而，对于大型船舶而言，传感器监测范围难以全面覆盖，这导致无法实现对任意截面上弯矩的识别。
8、采用局部应力相关法识别船体应力需要将船体离散为等效的二维模型或三维模型，通过有限的监测数据估计其他等效单元上的应力。对于大型船舶，想要将三维模型离散成精细化的等效单元所需计算量较大，而有限的监测位置难以全部覆盖大型船舶所受的外部载荷。目前该方法认为船体只受到弯矩和扭矩的影响。
9、有鉴于此，实有必要提供一种新的技术方案以解决上述问题。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本技术提供一种大型船体结构应力场的构建方法，能够有效降低应力场重构数学模型的维度和病态程度，从而降低计算量，提高识别精度。
2、一种大型船体结构应力场的构建方法，包括：
3、将船体结构所受的不规则波载荷分解为有限个基础规则波载荷；
4、基于切比雪夫多项式确定不规则波波长与船长的关系，并利用色散方程确定基础规则波周期；
5、将基础规则波作用下的船体应力场视为基础应力场，对传感器位置进行优化，利用优化后的传感器位置建立优化的应力场重构数学模型；
6、利用传感器监测到的船体数据反演规则波载荷的组合系数；
7、根据线性叠加原理，利用规则波组合系数和基础规则波作用下的船体应力场合成船体的实际应力场。
8、优选的，在所述将船体结构所受的不规则波载荷分解为有限个基础规则波载荷中，船体结构所受的不规则波载荷可以表示为：
9、；
10、式中，为不规则波载荷，为规则波载荷，为分解的规则波数量，为第i个基础规则波的组合系数。
11、优选的，所述基于切比雪夫多项式确定不规则波波长与船长的关系包括：
12、在船长方向上采用切比雪夫正交多项式对不规则波进行分解；
13、根据切比雪夫多项式中的第3项至第22项，确定波长与船长的比值。
14、将切比雪夫多项式的定义域设为船长范围，其中第3项到第22项切比雪夫多项式可以看作是一个个不同的规则波。规则波两个相邻的波峰（波谷）之间的距离为波长。通过各项切比雪夫多项式就能确定各个规则波的波长于船长的比值。
15、其中，在船长方向上的切比雪夫正交多项式为：
16、；
17、式中，l为船长；为距船头的距离。
18、优选的，在利用色散方程确定基础规则波周期中，所述色散方程可以表示为：
19、；
20、式中，为波频，为重力加速度，为波数，为水深。
21、优选的，在利用色散方程确定基础规则波周期中，波周期与波长之间的关系表示为：
22、 ；
23、式中，为波周期，为波长。
24、优选的，在利用传感器监测到的船体数据反演规则波载荷的组合系数中，传感器监测到的结构应变响应可以表示为：
25、；
26、式中，为基础结构应变矩阵，为需要求解的n维向量,为不规则波作用下传感器监测到的结构应变响应, 为结构上的传感器数量, 为分解的规则波数量。
27、优选的，所述将基础规则波作用下的船体应力场视为基础应力场，对传感器位置进行优化，利用优化后的传感器位置建立优化的应力场重构数学模型，包括：
28、将基础规则波作用下的船体应力场视为基础应力场；
29、将传感器候选安装位置进行分块，构建多个分块测点组合；
30、对每个分块测点组合进行逐次缩减运算，得到了优化后的结果；
31、将每个分块的优化结果合并为一组测点；
32、进行逐次缩减运算，得到了整体的优化后的测点组合，建立优化后的应力场重构数学模型。
33、优选的，所述根据线性叠加原理，利用规则波组合系数和基础规则波作用下的船体应力场合成船体的实际应力场，包括：
34、利用有限元计算软件将结构的计算结果写成载荷情况文件；
35、定义每个载荷情况文件的组合系数，以便获取结构在受到多种载荷作用时的应力场；
36、利用 有限元计算软件将规则波载荷作用下结构的载荷情况文件按照基础规则波的组合系数进行线性叠加，得到合成的结果文件；
37、其中，得到的合成结果文件可用于查看不规则波浪载荷作用下结构的应力场。
38、优选的，所述根据线性叠加原理，利用规则波组合系数和基础规则波作用下的船体应力场合成船体的实际应力场之后，还包括：读取合成船体的实际应力场结果，通过结构横截面上的应力向截面形心点的积分方式，识别结构沿着船长方向的垂向弯矩。
39、优选的，所述读取合成船体的实际应力场结果，通过结构横截面上的应力向截面形心点的积分方式，识别结构沿着船长方向的垂向弯矩包括：
40、读取有限元模型的应力结果，并选择结构上的任意一处横截面；
41、通过选取单元和节点，暴露该截面上的节点力，在选择的截面的形心坐标处定义合力点；
42、计算截面上的节点力相对于合力点的合力；
43、其中，截面上的节点力相对于合力点的合力中包括了横截面上的垂向弯矩。与现有技术相比，本技术至少具有以下有益效果：
44、1、本发明中的规则波载荷分解方法和测点优化方法，能够有效降低应力场重构数学模型的维度和病态程度，从而降低计算量，提高识别精度。
45、2、本发明提出的应力场重构方法能够基于有限个测点数据，实时获取大型船舶的整体应力场。
46、3、本发明利用合成的应力场数据能够提取结构上任意形式的应力水平，评估结构强度时采用屈服应力，评估疲劳时采用第一主应力。
47、4、本发明利用合成的应力场数据可以识别任意截面上的垂向弯矩。
1.一种大型船体结构应力场的构建方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的大型船体结构应力场的构建方法，其特征在于，在所述将船体结构所受的不规则波载荷分解为有限个基础规则波载荷中，船体结构所受的不规则波载荷可以表示为：
3.如权利要求2所述的大型船体结构应力场的构建方法，其特征在于，所述基于切比雪夫多项式确定不规则波波长与船长的关系包括：
4.如权利要求3所述的大型船体结构应力场的构建方法，其特征在于，在利用色散方程确定基础规则波周期中，所述色散方程可以表示为：
5.如权利要求4所述的大型船体结构应力场的构建方法，其特征在于，在利用色散方程确定基础规则波周期中，波周期与波长之间的关系表示为：
6.如权利要求5所述的大型船体结构应力场的构建方法，其特征在于，在利用传感器监测到的船体数据反演规则波载荷的组合系数中，传感器监测到的结构应变响应可以表示为：
7.如权利要求6所述的大型船体结构应力场的构建方法，其特征在于，所述将基础规则波作用下的船体应力场视为基础应力场，对传感器位置进行优化，利用优化后的传感器位置建立优化的应力场重构数学模型，包括：
8.如权利要求7所述的大型船体结构应力场的构建方法，其特征在于，所述根据线性叠加原理，利用规则波组合系数和基础规则波作用下的船体应力场合成船体的实际应力场，包括：
9.如权利要求8所述的大型船体结构应力场的构建方法，其特征在于，所述根据线性叠加原理，利用规则波组合系数和基础规则波作用下的船体应力场合成船体的实际应力场之后，还包括：读取合成船体的实际应力场结果，通过结构横截面上的应力向截面形心点的积分方式，识别结构沿着船长方向的垂向弯矩。
10.如权利要求9所述的大型船体结构应力场的构建方法，其特征在于，所述读取合成船体的实际应力场结果，通过结构横截面上的应力向截面形心点的积分方式，识别结构沿着船长方向的垂向弯矩包括：
