泉州灣宋代木質海船結構及材質穩定性監測技術應用案例

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泉州灣宋代木質海船結構及材質穩定性監測技術應用案例泉州灣宋代海船是我國發現的一艘年代較早、體量較大的遠洋貿易木帆船，該古船對研究我國海外交通史、造船史、航海史、對外關係史等具有重要的價值，是我國早期發現的重要水下文化遺產，被認定為國家一級文物。泉州灣宋船1974年發掘後，限於當時國內的技術條件和資金情況，在未進行脫鹽處理的情況下進行了復原與脫水定型，因此，船木中含有大量的鹽分，極大地影響了船體的穩定保存。2017年4月-2018年11月，「泉州宋代木質海船材質及結構穩定性研究」該課題採用聲發射技術，並結合數字圖像相關技術和聲振耦合技術，搭建了泉州灣宋代海船監測系統，展開了宋代古船材質及結構穩定性探索研究。

目錄

二、主要解決的問題

基於泉州灣宋代海船的特殊保存狀態，迫切需要通過古船穩定性監測，開展基於監測數據的定量化溯源分析與定量化預測評估分析，深入研究揭示古船木病害機理，從而準確評估船體保存現狀，科學指導並提升船體預防性保護工作水平，在此基礎上構建船體保存狀況的風險評估與預警機制。

三、技術要點

對船尾結構的穩定性進行了監測，並根據監測結果，及時採取了加固措施，有效地防止了船尾的下沉位移。該技術在木質文物保護的保護方法方面具有一定的創新性，研究成果為泉州灣宋代海船的保護與修復提供了理論與實踐參考依據，也為進一步研究、實施船體穩定性監測打下基礎。

系統方案

（1）船體全場多物理場測量系統基於數字圖像相關、虛場方法、基於數字圖像相關的含水率測定方法等技術對船體進行結構穩定性監測，實現船體表面變形及應變的全場測量、實現船體材料常數（彈性模量）分布場的可視化測量、實現船木內部的濕應力和含水率分布場的高精度計算，同時監測船體周圍局部環境。船體全場多物理場測量系統主要監測（計算）的物理場包括：變形場（應變場）、材料常數場（剛度分布場）、濕位移場（濕應變場）、含水率場、環境溫度場及環境濕度場。

船體全場多物理場測量系統主要包含溫濕度傳感器、CMOS傳感器陣列、工業鏡頭、輔助設備和高性能工作站等。數字圖像相關技術通過相機採集船體表面圖像得到船體表面的變形場和應變場，實現非接觸式的高精度全場測量。虛場方法對船體進行結構剛度檢測，實現船體材料常數(彈性模量和泊松比)分布場的可視化測量。基於數字圖像相關的含水率測定方法基於船體表面應變分布，結合船木材料常數的可視分布場結果，對船木內部的含水率分布場進行估測，實現船木內部的濕應力場的高精度計算。

變形場（應變場）監測系統

變形場（應變場）監測系統主要監測船體表面的位移場和應變場。基於數字圖像相關技術的無損檢測可以對船體進行結構穩定性健康監測，實現船體表面變形及應變的全場測量，而三維數字圖像相關技術可以實現船體表面變形及應變可視化的三維重建。古船應變場檢測系統主要由圖像採集單元、計算單元和檢測軟件平台組成，利用圖像採集單元採集被測古船表面圖像並存儲在計算機中，計算單元的主體部分為計算機及安裝於計算機上的檢測軟件平台，經檢測軟件平台的計算單元分析計算後得到出古船表面的全場位移場、應變場及強度衰減曲線。圖像採集單元主要由CMOS傳感器陣列、工業鏡頭及輔助設備組成，用於獲取被測古船的表面圖像，是古船多物理場檢測系統的核心部分。

材料常數場（剛度分布場）監測系統

材料常數場（剛度分布場）監測系統材料常數場（剛度分布場）監測系統基於虛場方法監測船體的彈性模量的空間變化。主要由圖像採集單元、計算單元和監測軟件平台組成。該檢測系統通過圖像採集單元採集被測古船表面圖像並存儲在計算機中，經檢測軟件平台分析計算後得到出水木質文物的材料常數場（剛度分布場）。圖像採集單元所採用的設備與位移場（應變場）監測系統的設備相同；計算單元的主體部分為計算機及安裝於計算機上的檢測軟件平台，計算單元利用三維數字圖像相關技術得到船體表面應變，通過特殊優化虛場識別出船體的材料常數場，實現對古船材料常數場（剛度分布場）的實時快速、非接觸式無損監測和剛度評估。

含水率場監測系統

含水率場監測系統主要測量船體濕位移場、濕應變場及含水率場。基於數字圖像相關方法的船木含水率場監測方法能夠實時檢測古船含水率場，並實現關鍵測點的含水率場檢測及其強度評估。古船含水率場檢測系統主要由圖像採集單元、計算單元和檢測軟件平台組成。該檢測系統通過圖像採集單元採集被測古船表面圖像並存儲在計算機中，經檢測軟件平台分析計算後得到出水木質文物的含水率場、濕應變和濕應力場及強度衰減曲線。圖像採集單元所採用的設備與應力場監測系統的設備相同；計算單元的主體部分為計算機及安裝於計算機上的檢測軟件平台，利用檢測軟件平台能夠得到出水木質文物表面的全場變形，並通過計算得到關鍵測點的含水率場、濕位移場和濕應變場分布情況，實現對出水木質文物含水率場的實時快速、非接觸式無損檢測和強度評估。

古船含水率場檢測系統的檢測軟件平台包括應變場計算模塊、含水率場和強度評估模塊兩個模塊。應變場計算模塊與變形場（應變場）監測系統共享硬件及數據，為含水率場和強度評估模塊提供數據輸入。含水率場和強度評估模塊由含水率分析、濕應力分析和強度評估部分組成。該模塊利用測點表面應變場數據，通過理論模型分析得到測點內部的含水率場、濕應變場和濕應力場的分布情況，並繪製強度衰減曲線。l 溫濕度監測系統溫濕度監測系統主要測量環境溫度與濕度。木材的平衡含水率和環境相對濕度及溫度均相關，為了對船體的含水率有量化的評估，需要測得船體周圍環境的相對濕度及溫度。溫濕度監測系統主要由數據採集單元與監測軟件平台組成。數據採集單元為溫濕度傳感器。數據採集單元採集到的溫濕度數據輸入到監測軟件平台中，為其他物理場監測的提供環境數據。

船體重點部位多類型損傷監測與預警決策系統

重點部位多類型損傷監測預警系統基於聲發射技術(AE)和分子動力學方法(MD)，實現船體重點部位的裂紋等物理損傷及無機鹽致鹽害損傷的發生及演化的原位監測與預警。

AE技術探測得到被檢對象的損傷過程中的來自其本身的應力、應變能，能夠評價整個結構中缺陷的狀態，還可以提供缺陷隨環境參數、時間等實時變化的信息。結合分子動力學方法，能夠對濕度-無機鹽侵作用下海洋出水木材的損傷演化過程進行實時監測，並為決策提出有效的解決方案。船體重點部位多類型損傷監測系統主要對於船體重點部位不同病害類型的損傷監測，為後續的預警決策系統提供數據支持。根據對船體保存狀況的調查，船體存在裂隙、糟朽、斷裂、變形、殘缺、變色，表面降解、動物損害等多種病害，疑似存在微生物損害，不同材質的構件病害症狀不同，寬頻AE傳感器的安裝部位主要基於船體的病害類型。

基於聲發射技術的出水木質文物結構穩定性在線監測系統主要由信號採集單元、計算單元和檢測軟件平台組成。信號採集單元由寬頻AE傳感器、濕度傳感器、前置增益可調放大器、信號分離器、聲發射數據採集卡，以及計算機組成；計算單元和檢測軟件平台主要為開發的出水木質文物監測與分析軟件系統。

計算單元主要進行聲發射信號分析與預警，在信號採集單元進行工作之前需要設置相關參數：可接受裂紋面積閾值（使用者對監測對象可接受的破壞程度是多大）及裂紋擴展報警閾值百分比（更方便調整可接受裂紋面積閾值）。當設置好可接受裂紋面積閾值後，系統會對AE傳感器接收到的信號進行實時處理，計算出當前損傷程度，並與所設閾值進行對比，當超過閾值，系統則發出警報。建立了以AE特徵參量表徵的細-宏觀杉木損傷演化方程和基於Griffith能量準則的聲發射特徵參量表徵的裂紋失穩擴展預測方法，實現了對木材損傷程度的評價以及裂紋失穩擴展的預報。

船體損傷分級量化評估系統

利用船體全場多物理場測量系統和重點部位損傷監測預警系統測量及計算的數據，建立船體保存狀況的監測數據庫，並結合損傷力學理論，建立船體損傷的分級量化指標。

船體多物理場監測系統損傷量化

當環境濕度發生變化時，古船內部的含水率梯度變化將引起不均勻的濕應力分布。在濕應力變化的長期作用下，古船的強度發生衰減，使木構件出現損傷甚至失效。監測系統基於Gerhards累積損傷模型，建立考慮含水率場梯度變化的古船強度衰減模型，並以截面最大損傷量為指標的強度評估方法，對古船強度衰減規律進行預測。

重點部位監測系統損傷量化

為了能夠對古船在動態載荷下損傷演化情況進行實時追蹤，基於木材聲發射特徵參數與損傷變量之間的關係，通過對木材細-宏觀結構的觀察，將古船杉木等效為由多個具有相同屬性的六邊形管狀結構（RVE）組成，並基於概率思想，提出了均質化-統計分布的木材建模方法。在此基礎上，建立了以累積振鈴計數作為特徵參量的杉木細-宏觀損傷演化方程。同時可以對古船做到實時、動態監測。

四、應用成效

該技術通過對館藏文物保存環境進行有效的監測和控制，從而最大限度地抑制和減緩了環境因素對文物材料的破壞作用；通過有效的技術手段對文物本體及病害的變化進行監測，對於文物保存環境與文物本體病害之間的實質關聯進行系統深入的研究，建立了有效的文物保存狀況風險評估預警機制，準確評估預防性保護的實施效果。

隨着我國水下考古的發展，陸續發現並出水了一些重要的水下沉船遺存，泉州宋船作為我國早期發現、發掘與保護的古代沉船，成為這些古代沉船的保護與研究的重要參考對象，泉州海外交通史博物館泉州灣宋代海船穩定性監測項目應用案例對泉州宋船的保護具有重要意義。

五、適用範圍

該技術適宜在其他文化遺產保護領域大面積推廣，目前在泉州海外交通史博物館泉州灣宋代海船得到應用。