一种多翼硬质风帆及其健康监测方法与流程

本发明属于船舶，尤其涉及一种适用于海上远洋风力助航多翼硬质风帆及其健康监测方法。

背景技术：

1、目前国内海上远洋船舶助航推进主要为传统软质风帆，其主要利用帆面受到的风力驱动船舶航行。软质风帆的使用寿命较短，需要经常更换。这是因为软质风帆的材料通常是纤维素或合成材料，容易受到紫外线、海水等自然环境的影响而劣化。软质风帆的形状稳定性较差，随着风力和船舶运动的变化而发生变形，可能会影响其性能。软质风帆的结构相对松散，不能承受承受强风和恶劣环境，可能会在强风下产生裂缝或破损。此外软质风帆还存在收放不方便、需要人工操作、控制性能较差等缺点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明公开一种硬质风帆，具体方案如下：

2、一种硬质风帆，包括缝翼单元、主翼单元、襟翼单元、转动底座、固定底座；所述转动底座可转动地设置于固定底座上，所述缝翼单元、主翼单元、襟翼单元从左至右依次排布设置于转动底座上；

3、所述主翼单元设置于缝翼单元、襟翼单元之间，所述主翼单元包括主翼主体、主翼中柱，所述主翼中柱的上部与主翼主体连接，主翼中柱的下端设置于转动底座上；

4、所述缝翼单元包括缝翼主体、缝翼中柱、第一皮带轮，所述缝翼中柱的上部与缝翼主体固定连接，缝翼中柱的下部通过轴承与转动底座连接，所述第一皮带轮设置于缝翼中柱上；

5、所述襟翼单元包括襟翼主体、襟翼中柱、第二皮带轮，所述襟翼中柱的上部与襟翼主体固定连接，襟翼中柱的下部通过轴承与转动底座连接，所述第二皮带轮设置于襟翼中柱上。

6、作为本发明技术方案的补充，所述缝翼单元还包括缝翼副立柱、第一皮带轮支架，所述第一皮带轮支架包括第一上挡板、第一下挡板，所述第一上挡板设置于第一皮带轮上方，第一下挡板设置于第一皮带轮下方，所述缝翼副立柱上部与缝翼主体固定连接，缝翼副立柱的下端与第一上挡板连接；

7、所述襟翼单元还包括襟翼副立柱、第二皮带轮支架，所述第二皮带轮支架包括第二上挡板、第二下挡板，所述第二上挡板设置于第二皮带轮上方，第二下挡板设置于第二皮带轮下方，所述襟翼副立柱上部与襟翼主体固定连接，襟翼副立柱的下端与第二上挡板连接。

8、作为本发明技术方案的补充，所述缝翼主体、襟翼主体结构相同，所述缝翼主体包括风帆骨架、蒙皮，所述蒙皮包覆与风帆骨架上；

9、所述风帆骨架包括第一弧形梁、第二弧形梁、第三弧形梁、第四弧形梁、第一横梁、第二横梁，

10、所述第一弧形梁与第二弧形梁均呈弯曲弧形结构，第一弧形梁与第二弧形梁的头端相互连接、尾端相互连接，第一弧形梁与第二弧形梁组成第一支撑框；

11、所述第三弧形梁与第四弧形梁均呈弯曲弧形状，第三弧形梁与第四弧形梁的头端相互连接、尾端相互连接，第三弧形梁与第四弧形梁组成第二支撑框；

12、第一支撑框与第二支撑框相对平行设置，所述第一支撑框的第一弧形梁与第二支撑框的第三弧形梁之间连接有第一横梁；所述第一支撑框的第二弧形梁与第二支撑框的第二弧形梁之间连接有第二横梁。

13、作为本发明技术方案的补充，所述风帆骨架还包括支撑斜梁，第一弧形梁与第二弧形梁之间、第三弧形梁与第四弧形梁之间均设置有支撑斜梁，

14、设置于第一弧形梁与第二弧形梁之间的支撑斜梁的一端与第一弧形梁连接，支撑斜梁的另一端与第二弧形梁连接；

15、设置于第三弧形梁与第四弧形梁之间的支撑斜梁的一端与第三弧形梁连接，支撑斜梁的另一端与第四弧形梁连接。

16、作为本发明技术方案的补充，所述风帆骨架还包括加固斜梁，所述加固斜梁设置于第一横梁与第二横梁之间，加固斜梁的一端与第一横梁连接，加固斜梁的另一端与第二横梁连接，第一横梁与第二横梁之间的加固斜梁设有两个，两个支撑斜梁以交叉形式设置于第一横梁与第二横梁之间。

17、作为本发明技术方案的补充，还包括小翼单元，所述小翼单元设置于转动底座上且位于主翼单元与襟翼单元之间，所述小翼单元包括小翼主体、小翼中柱、第三皮带轮，所述小翼中柱的上部与小翼主体固定连接，缝翼中柱的下部通过轴承与转动底座连接，所述第三皮带轮设置于小翼中柱上。

18、作为本发明技术方案的补充，还包括震动传感器、噪声传感器、温度传感器、驱动机构；

19、所述驱动机构设有三组且分别设置于缝翼单元、襟翼单元以及小翼单元上，驱动机构包括电机、皮带，设置于缝翼单元上的电机通过皮带驱动第一皮带轮旋转，设置于襟翼单元上的电机通过皮带驱动第二皮带轮旋转，设置于小翼单元上的电机通过皮带驱动第三皮带轮旋转，所述电机包括电控轴承；

20、三组驱动机构中的电机上均设置有震动传感器、噪声传感器、温度传感器，用于采集电机上电控轴承的数据。

21、本发明还公开对上述硬质风帆的健康监测方法，包括以下步骤：

22、s1.通过振动、噪声和温度传感器采集电控轴承数据，包括震动、噪声和温度传感器采集的数据，建立样本集x：

23、其中，表示震动传感器采集的第m个数据，m表示每个传感器采集样本集点的数量；

24、表示噪声传感器采集的第m个数据；

25、表示温度传感器采集的第m个数据；

26、s2.将步骤s1采集到的样本集x带入至多维核密度估计的分布密度函数内，多维核密度估计的分布密度函数如下：

27、

28、其中，fh(d)表示d时刻下的分布密度函数，d1、d2、d3分别表示震动、噪声和温度的概率密度，表示震动传感器采集的第i个数据，表示噪声传感器采集的第i个数据，表示温度传感器采集的第i个数据，i＝1,2,…m，h表示宽带矩阵，kh(·)表示多维核函数；

29、s3.根据所述分布密度函数fh(d)，计算电控轴承置信概率，计算公式如下：

30、

31、其中，pr(j0|g)定义为关于j0的置信度；j1代表预测值符合实际值；j0代表预测值偏离实际值；pr(j0)代表j0的先验概率，pr(j1)代表j1的先验概率，b01代表贝叶斯因子；

32、式(2)中贝叶斯因子b01表示为：

33、

34、其中，表示d时刻下的震动、噪声和温度数据的加权均值，e表示自然常数；

35、式(3)中的计算公式如下：

36、

37、其中，x1d表示d时刻下震动传感器数据，x2d表示d时刻下噪声传感器数据，x3d表示d时刻下温度传感器数据。

38、作为本发明技术方案的补充，所述步骤s1中kh(·)采用多维高斯函数，计算公式如下：

39、

40、其中，t表示转置，x为样本集，d表示样本集x的维度，e表示自然常数。

41、作为本发明技术方案的补充，所述步骤s3中，pr(j0)＝kk，pr(j1)+pr(j0)＝1，kk为经验值，kk取值0.985、0.987或0.996。

42、有益效果：本发明公开的硬质风帆选用碳纤维材质制作，由于碳纤维具有轻量化、高强度和高刚度的特点，所以碳纤维硬质风帆的重量更轻，可以减少船只的质量和阻力，提高航行速度和效率。在本发明的另一个方面，本发明公开硬质风帆结构设计使其刚性相较于软质风帆更佳，可以保持更加稳定的形状，提高风力利用效率和航行安全性。