泉州湾宋代木质海船结构及材质稳定性监测技术应用案例

来自 搜狐网 的图片

泉州湾宋代木质海船结构及材质稳定性监测技术应用案例泉州湾宋代海船是我国发现的一艘年代较早、体量较大的远洋贸易木帆船，该古船对研究我国海外交通史、造船史、航海史、对外关系史等具有重要的价值，是我国早期发现的重要水下文化遗产，被认定为国家一级文物。泉州湾宋船1974年发掘后，限于当时国内的技术条件和资金情况，在未进行脱盐处理的情况下进行了复原与脱水定型，因此，船木中含有大量的盐分，极大地影响了船体的稳定保存。2017年4月-2018年11月，“泉州宋代木质海船材质及结构稳定性研究”该课题采用声发射技术，并结合数字图像相关技术和声振耦合技术，搭建了泉州湾宋代海船监测系统，展开了宋代古船材质及结构稳定性探索研究。

目录

二、主要解决的问题

基于泉州湾宋代海船的特殊保存状态，迫切需要通过古船稳定性监测，开展基于监测数据的定量化溯源分析与定量化预测评估分析，深入研究揭示古船木病害机理，从而准确评估船体保存现状，科学指导并提升船体预防性保护工作水平，在此基础上构建船体保存状况的风险评估与预警机制。

三、技术要点

对船尾结构的稳定性进行了监测，并根据监测结果，及时采取了加固措施，有效地防止了船尾的下沉位移。该技术在木质文物保护的保护方法方面具有一定的创新性，研究成果为泉州湾宋代海船的保护与修复提供了理论与实践参考依据，也为进一步研究、实施船体稳定性监测打下基础。

系统方案

（1）船体全场多物理场测量系统基于数字图像相关、虚场方法、基于数字图像相关的含水率测定方法等技术对船体进行结构稳定性监测，实现船体表面变形及应变的全场测量、实现船体材料常数（弹性模量）分布场的可视化测量、实现船木内部的湿应力和含水率分布场的高精度计算，同时监测船体周围局部环境。船体全场多物理场测量系统主要监测（计算）的物理场包括：变形场（应变场）、材料常数场（刚度分布场）、湿位移场（湿应变场）、含水率场、环境温度场及环境湿度场。

船体全场多物理场测量系统主要包含温湿度传感器、CMOS传感器阵列、工业镜头、辅助设备和高性能工作站等。数字图像相关技术通过相机采集船体表面图像得到船体表面的变形场和应变场，实现非接触式的高精度全场测量。虚场方法对船体进行结构刚度检测，实现船体材料常数(弹性模量和泊松比)分布场的可视化测量。基于数字图像相关的含水率测定方法基于船体表面应变分布，结合船木材料常数的可视分布场结果，对船木内部的含水率分布场进行估测，实现船木内部的湿应力场的高精度计算。

变形场（应变场）监测系统

变形场（应变场）监测系统主要监测船体表面的位移场和应变场。基于数字图像相关技术的无损检测可以对船体进行结构稳定性健康监测，实现船体表面变形及应变的全场测量，而三维数字图像相关技术可以实现船体表面变形及应变可视化的三维重建。古船应变场检测系统主要由图像采集单元、计算单元和检测软件平台组成，利用图像采集单元采集被测古船表面图像并存储在计算机中，计算单元的主体部分为计算机及安装于计算机上的检测软件平台，经检测软件平台的计算单元分析计算后得到出古船表面的全场位移场、应变场及强度衰减曲线。图像采集单元主要由CMOS传感器阵列、工业镜头及辅助设备组成，用于获取被测古船的表面图像，是古船多物理场检测系统的核心部分。

材料常数场（刚度分布场）监测系统

材料常数场（刚度分布场）监测系统材料常数场（刚度分布场）监测系统基于虚场方法监测船体的弹性模量的空间变化。主要由图像采集单元、计算单元和监测软件平台组成。该检测系统通过图像采集单元采集被测古船表面图像并存储在计算机中，经检测软件平台分析计算后得到出水木质文物的材料常数场（刚度分布场）。图像采集单元所采用的设备与位移场（应变场）监测系统的设备相同；计算单元的主体部分为计算机及安装于计算机上的检测软件平台，计算单元利用三维数字图像相关技术得到船体表面应变，通过特殊优化虚场识别出船体的材料常数场，实现对古船材料常数场（刚度分布场）的实时快速、非接触式无损监测和刚度评估。

含水率场监测系统

含水率场监测系统主要测量船体湿位移场、湿应变场及含水率场。基于数字图像相关方法的船木含水率场监测方法能够实时检测古船含水率场，并实现关键测点的含水率场检测及其强度评估。古船含水率场检测系统主要由图像采集单元、计算单元和检测软件平台组成。该检测系统通过图像采集单元采集被测古船表面图像并存储在计算机中，经检测软件平台分析计算后得到出水木质文物的含水率场、湿应变和湿应力场及强度衰减曲线。图像采集单元所采用的设备与应力场监测系统的设备相同；计算单元的主体部分为计算机及安装于计算机上的检测软件平台，利用检测软件平台能够得到出水木质文物表面的全场变形，并通过计算得到关键测点的含水率场、湿位移场和湿应变场分布情况，实现对出水木质文物含水率场的实时快速、非接触式无损检测和强度评估。

古船含水率场检测系统的检测软件平台包括应变场计算模块、含水率场和强度评估模块两个模块。应变场计算模块与变形场（应变场）监测系统共享硬件及数据，为含水率场和强度评估模块提供数据输入。含水率场和强度评估模块由含水率分析、湿应力分析和强度评估部分组成。该模块利用测点表面应变场数据，通过理论模型分析得到测点内部的含水率场、湿应变场和湿应力场的分布情况，并绘制强度衰减曲线。l 温湿度监测系统温湿度监测系统主要测量环境温度与湿度。木材的平衡含水率和环境相对湿度及温度均相关，为了对船体的含水率有量化的评估，需要测得船体周围环境的相对湿度及温度。温湿度监测系统主要由数据采集单元与监测软件平台组成。数据采集单元为温湿度传感器。数据采集单元采集到的温湿度数据输入到监测软件平台中，为其他物理场监测的提供环境数据。

船体重点部位多类型损伤监测与预警决策系统

重点部位多类型损伤监测预警系统基于声发射技术(AE)和分子动力学方法(MD)，实现船体重点部位的裂纹等物理损伤及无机盐致盐害损伤的发生及演化的原位监测与预警。

AE技术探测得到被检对象的损伤过程中的来自其本身的应力、应变能，能够评价整个结构中缺陷的状态，还可以提供缺陷随环境参数、时间等实时变化的信息。结合分子动力学方法，能够对湿度-无机盐侵作用下海洋出水木材的损伤演化过程进行实时监测，并为决策提出有效的解决方案。船体重点部位多类型损伤监测系统主要对于船体重点部位不同病害类型的损伤监测，为后续的预警决策系统提供数据支持。根据对船体保存状况的调查，船体存在裂隙、糟朽、断裂、变形、残缺、变色，表面降解、动物损害等多种病害，疑似存在微生物损害，不同材质的构件病害症状不同，宽频AE传感器的安装部位主要基于船体的病害类型。

基于声发射技术的出水木质文物结构稳定性在线监测系统主要由信号采集单元、计算单元和检测软件平台组成。信号采集单元由宽频AE传感器、湿度传感器、前置增益可调放大器、信号分离器、声发射数据采集卡，以及计算机组成；计算单元和检测软件平台主要为开发的出水木质文物监测与分析软件系统。

计算单元主要进行声发射信号分析与预警，在信号采集单元进行工作之前需要设置相关参数：可接受裂纹面积阈值（使用者对监测对象可接受的破坏程度是多大）及裂纹扩展报警阈值百分比（更方便调整可接受裂纹面积阈值）。当设置好可接受裂纹面积阈值后，系统会对AE传感器接收到的信号进行实时处理，计算出当前损伤程度，并与所设阈值进行对比，当超过阈值，系统则发出警报。建立了以AE特征参量表征的细-宏观杉木损伤演化方程和基于Griffith能量准则的声发射特征参量表征的裂纹失稳扩展预测方法，实现了对木材损伤程度的评价以及裂纹失稳扩展的预报。

船体损伤分级量化评估系统

利用船体全场多物理场测量系统和重点部位损伤监测预警系统测量及计算的数据，建立船体保存状况的监测数据库，并结合损伤力学理论，建立船体损伤的分级量化指标。

船体多物理场监测系统损伤量化

当环境湿度发生变化时，古船内部的含水率梯度变化将引起不均匀的湿应力分布。在湿应力变化的长期作用下，古船的强度发生衰减，使木构件出现损伤甚至失效。监测系统基于Gerhards累积损伤模型，建立考虑含水率场梯度变化的古船强度衰减模型，并以截面最大损伤量为指标的强度评估方法，对古船强度衰减规律进行预测。

重点部位监测系统损伤量化

为了能够对古船在动态载荷下损伤演化情况进行实时追踪，基于木材声发射特征参数与损伤变量之间的关系，通过对木材细-宏观结构的观察，将古船杉木等效为由多个具有相同属性的六边形管状结构（RVE）组成，并基于概率思想，提出了均质化-统计分布的木材建模方法。在此基础上，建立了以累积振铃计数作为特征参量的杉木细-宏观损伤演化方程。同时可以对古船做到实时、动态监测。

四、应用成效

该技术通过对馆藏文物保存环境进行有效的监测和控制，从而最大限度地抑制和减缓了环境因素对文物材料的破坏作用；通过有效的技术手段对文物本体及病害的变化进行监测，对于文物保存环境与文物本体病害之间的实质关联进行系统深入的研究，建立了有效的文物保存状况风险评估预警机制，准确评估预防性保护的实施效果。

随着我国水下考古的发展，陆续发现并出水了一些重要的水下沉船遗存，泉州宋船作为我国早期发现、发掘与保护的古代沉船，成为这些古代沉船的保护与研究的重要参考对象，泉州海外交通史博物馆泉州湾宋代海船稳定性监测项目应用案例对泉州宋船的保护具有重要意义。

五、适用范围

该技术适宜在其他文化遗产保护领域大面积推广，目前在泉州海外交通史博物馆泉州湾宋代海船得到应用。