新型艇架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試與評(píng)估

閻齊方，侯海量，張成亮

（1.91315部隊(duì)，遼寧大連116041；2.海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢430033）

新型艇架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試與評(píng)估

閻齊方1，侯海量2，張成亮2

（1.91315部隊(duì)，遼寧大連116041；2.海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢430033）

為了評(píng)估一種新型保障小艇艇架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能，針對(duì)一般的情況進(jìn)行分析，提出了評(píng)估艇架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能的思路和步驟，利用強(qiáng)度理論探討了結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的位置、危險(xiǎn)情況和振動(dòng)特性，并結(jié)合小艇艇架測(cè)量結(jié)果做出了分析。結(jié)果表明：艇架結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最危險(xiǎn)的情況發(fā)生在急剎車階段，最危險(xiǎn)的位置發(fā)生在結(jié)構(gòu)的拐角邊緣處，不同位置結(jié)構(gòu)發(fā)生的危險(xiǎn)時(shí)刻不同；結(jié)構(gòu)在平衡位置附近做低頻小阻尼自由振動(dòng)，振動(dòng)頻率低于4 Hz，阻尼比約為0.03，阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期和圓頻率影響可以忽略。研究結(jié)果對(duì)于新型艇架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度測(cè)試和評(píng)估的方法能有效地校核艇架的強(qiáng)度性能，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

結(jié)構(gòu)力學(xué)；艇架；強(qiáng)度；測(cè)試；評(píng)估

小艇艇架吊放裝置作為新型小艇的保障裝置，其主要目的是保障新型小艇的吊放和回收，對(duì)于機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的新型小艇能否有效地投入戰(zhàn)斗發(fā)揮著重要的作用，因此開(kāi)展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能測(cè)試和評(píng)估有重大的意義。對(duì)于新型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度研究一直是各方關(guān)注的焦點(diǎn)。趙勝濤等［1］根據(jù)自升式平臺(tái)的特性，論述了結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)估和結(jié)構(gòu)計(jì)算的內(nèi)容；趙黨等［2］對(duì)各種典型的浮吊船載荷工況進(jìn)行了船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理化建議；胡嘉駿［3］基于實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果，提出了極值預(yù)報(bào)兩種船體的評(píng)估方法。

現(xiàn)階段，由于各新型材料及結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，需要掌握其自身結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)情況，了解其振動(dòng)特性，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評(píng)估做準(zhǔn)備。本研究基于此提出了評(píng)估艇架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能的思路和步驟，利用通用理論探討了結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的位置、危險(xiǎn)情況和振動(dòng)特性，并結(jié)合實(shí)際的測(cè)量工作對(duì)新型艇架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體分析。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)點(diǎn)及貼片布置

試驗(yàn)用小艇艇架為對(duì)稱桁架結(jié)構(gòu)，考慮應(yīng)力集中因素的影響，測(cè)點(diǎn)位置確定為桁架連接處以及結(jié)構(gòu)拐角和邊緣位置（見(jiàn)圖1）。電阻應(yīng)變計(jì)采用應(yīng)變極限為2%的普通應(yīng)變片，應(yīng)變片用502膠水粘貼于各測(cè)點(diǎn)位置處，應(yīng)變片應(yīng)粘貼良好，確保構(gòu)件表面的應(yīng)變能正確、可靠的傳遞到敏感柵，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.2 試驗(yàn)工況

工況1：小艇1.1倍裝載，并在空中完成兩次放艇和收艇，每次放艇過(guò)程中進(jìn)行一次急停（即剎車）操作；

工況2：小艇滿載，放艇入水，然后將小艇脫水收回。

1.3 數(shù)據(jù)測(cè)量

測(cè)點(diǎn)采用1/4橋接線法，為了平衡長(zhǎng)導(dǎo)線的電阻的影響，盡量控制導(dǎo)線長(zhǎng)度，使用三芯導(dǎo)線補(bǔ)償長(zhǎng)導(dǎo)線電阻影響。

1.4 試驗(yàn)實(shí)施

根據(jù)試驗(yàn)工況要求，實(shí)驗(yàn)在南海某海域四級(jí)海況下進(jìn)行，三一浪高為1.5～2 m，某大型水面艦艇提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)實(shí)際情況，小艇在收放過(guò)程中急停是最危險(xiǎn)的工況，測(cè)試過(guò)程分兩步開(kāi)展：首先測(cè)試小艇1.1倍裝載，并在空中完成兩次放艇和收艇，每次放艇過(guò)程中進(jìn)行一次急停（即剎車）操作，測(cè)試艇架在這一過(guò)程中的動(dòng)應(yīng)變；然后測(cè)試艇架在小艇滿載工況下，入水、脫水時(shí)的動(dòng)應(yīng)變。

2 測(cè)量結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析

小艇艇架應(yīng)變受小艇裝載及吊放過(guò)程影響，小艇按1.1倍裝載進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，以6號(hào)測(cè)點(diǎn)為例如圖2、圖3所示，按階段分析小艇艇架應(yīng)變過(guò)程（見(jiàn)表1）及影響因素。①小艇起吊階段：小艇起吊開(kāi)始時(shí)，艇架突然加載，但由于小艇未離開(kāi)基座，艇架應(yīng)變?cè)谝粋€(gè)較小的值，并保持一段時(shí)間直到小艇與基座完全分離；小艇與基座分離后，艇架承載瞬間增加，應(yīng)變隨之增加，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后艇架應(yīng)變?cè)诰蹈浇收也ㄖ芷谡駝?dòng)。②小艇平移、外放階段如圖2：小艇起吊到最高點(diǎn)之后，緩慢向船舷外側(cè)水平移動(dòng)，此時(shí)艇高度不發(fā)生變化，靠艇架的機(jī)械運(yùn)動(dòng)將小艇移送到舷側(cè)水面以上指定位置。在此階段，小艇起吊階段結(jié)束時(shí)刻，艇架應(yīng)變達(dá)到該階段的峰值，之后艇架應(yīng)變?cè)诰蹈浇收也ㄖ芷谡駝?dòng)。③小艇上下起落階段：小艇上下起落兩次，每次往下放艇過(guò)程中有一次急剎車，放艇到接近水面位置后直接一次收艇到最高點(diǎn)。在此階段，艇架應(yīng)變?cè)谛⊥x車和到達(dá)最低點(diǎn)處出現(xiàn)峰值，應(yīng)變同樣在其均值附近呈周期振動(dòng)。④小艇回收階段：此階段回收小艇，其過(guò)程和“小艇上下起落階段、小艇起吊階段”過(guò)程相反，艇架應(yīng)變出現(xiàn)相應(yīng)峰值、周期和振幅。

圖2 艇架6號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線（1 mv=1 με）

圖3 小艇平移外放階段艇架6號(hào)測(cè)點(diǎn)放大圖

2.2 艇架應(yīng)變及應(yīng)力分析

1）艇架應(yīng)變分析

小艇在停放在艇架基座上時(shí)，鋼絲繩處于緊繃狀態(tài)，艇架結(jié)構(gòu)在初始時(shí)刻存在一定的應(yīng)變即預(yù)應(yīng)變，由各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線可知1、2測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)尤其明顯，所以1、2測(cè)點(diǎn)應(yīng)變零線取小艇落水后的應(yīng)變值作為參考零點(diǎn)；3～18號(hào)測(cè)點(diǎn)預(yù)應(yīng)變表現(xiàn)不明顯，同時(shí)在整個(gè)起吊過(guò)程中受到艇架自身重力的影響較大，其零線參考值取初始時(shí)刻應(yīng)變值作為參考零點(diǎn)。表2給出了小艇收放過(guò)程中艇架1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)各階段的應(yīng)變均值和峰值。表3給出了小艇收放過(guò)程中艇架3～18號(hào)測(cè)點(diǎn)各階段的應(yīng)變均值和峰值。

表1 艇架測(cè)試階段劃分時(shí)刻

表2 小艇吊放過(guò)程中艇架1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

表3 小艇吊放過(guò)程中艇架3-18號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

由表2、表3和應(yīng)變時(shí)程曲線可知：①小艇吊放過(guò)程和回收過(guò)程中，6、7號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值相對(duì)較大。應(yīng)變最大的測(cè)點(diǎn)發(fā)生在7號(hào)測(cè)點(diǎn)（主架前壁根部位置，見(jiàn)圖1），最大壓應(yīng)變1 028 με，壓應(yīng)變最大均值658 με。6號(hào)測(cè)點(diǎn)（主架前壁根部位置，見(jiàn)圖1），最大拉應(yīng)變725 με，拉應(yīng)變最大均值396 με。②小艇吊放過(guò)程和回收過(guò)程中，相同測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)最大應(yīng)變值的時(shí)間不同。1、2測(cè)點(diǎn)（伸縮臂拐角側(cè)面板邊板）應(yīng)變最大值發(fā)生在小艇起吊階段，小艇剛與基座分離時(shí)刻；3～8號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變最大值均發(fā)生在小艇上下起落階段，小艇急剎車或者到達(dá)最低（高）點(diǎn)時(shí)刻；9～16號(hào)測(cè)點(diǎn)最大值相對(duì)較小，均小于200 με，最大值發(fā)生在小艇吊起和往外緩慢平移階段；17～18號(hào)測(cè)點(diǎn)在吊放的整個(gè)過(guò)程中應(yīng)變均在100～300 με之間。③小艇吊放過(guò)程和回收過(guò)程中，不同測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)變較大值的階段主要集中在小艇起落階段，剎車或者到達(dá)最低（高）點(diǎn)時(shí)刻。6、7號(hào)測(cè)點(diǎn)在吊放的整個(gè)過(guò)程中，其應(yīng)變值都較大，大于500 με。實(shí)驗(yàn)中，小艇艇架同一測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨小艇運(yùn)動(dòng)階段的不同而不同；小艇艇架不同位置測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值與測(cè)點(diǎn)位置關(guān)系密切，不同位置測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)變峰值的時(shí)間不同。

2）艇架應(yīng)力分析

小艇艇架在小艇吊放和回收過(guò)程中按照單向應(yīng)力狀態(tài)分析，計(jì)算公式為

常數(shù)取值E=200 GPa，計(jì)算中艇架應(yīng)變?nèi)∶侩A段平均應(yīng)變（見(jiàn)表2、表3所示），分析計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 小艇吊放過(guò)程中艇架測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值

由表4可知，艇架各測(cè)點(diǎn)在小艇吊放和回收過(guò)程中，平均應(yīng)變最大值發(fā)生在7號(hào)測(cè)點(diǎn)處，該點(diǎn)最大應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變。根據(jù)艇架材料特性、材料屈服極限，安全系數(shù)，許用應(yīng)力＞131.6 MPa，該艇架結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足要求。

2.3 艇架動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性分析

由圖1、圖2可以看出，艇架應(yīng)變階段性的在平衡位置上下振動(dòng)，一段時(shí)間后趨于某一平衡值。艇架在一個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程到下一運(yùn)動(dòng)過(guò)程之間的振動(dòng)可認(rèn)為是有阻尼自由振動(dòng)［4］，其特性如下：運(yùn)動(dòng)過(guò)程結(jié)束時(shí)刻開(kāi)始，艇架應(yīng)變驟增，到達(dá)最高點(diǎn)之后很快衰減，其在第一個(gè)周期內(nèi)衰減最劇烈，之后在平衡位置附近波動(dòng)，最后趨于平衡位置；與無(wú)阻尼狀態(tài)相比，有阻尼狀態(tài)自由振動(dòng)周期隨振動(dòng)時(shí)間增加，振動(dòng)周期逐漸變大、振動(dòng)頻率逐漸變小；相鄰的兩個(gè)振幅之比為常數(shù)。

根據(jù)有阻尼單自由度系統(tǒng)振動(dòng)特性和測(cè)點(diǎn)時(shí)間歷程曲線可得系統(tǒng)的阻尼系數(shù)如表5所示。

表5 艇架測(cè)點(diǎn)振動(dòng)特性

由表5可以看出，就振動(dòng)頻率而言，艇架結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中呈低頻振動(dòng)，振動(dòng)頻率在2～4之間，不同測(cè)試階段結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)頻率有較明顯差異，其主要原因是各階段中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)變化，導(dǎo)致其相對(duì)剛度的變化所致；就阻尼比而言，艇架結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中阻尼比ζ＜＜1，可認(rèn)為系統(tǒng)振動(dòng)為小阻尼振動(dòng)，此時(shí)阻尼對(duì)頻率或周期的影響可以忽略。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，本研究?jī)H針對(duì)一般的情況進(jìn)行分析提出了評(píng)估艇架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能的思路和步驟，利用通用理論探討了結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的位置、危險(xiǎn)情況和振動(dòng)特性。對(duì)于影響結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)特性的因素有待進(jìn)一步的具體分析和研究。

［1］趙勝濤，魏忠華，邱欣.自升式移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估研究［J］.中國(guó)修船，2011，24（1）:54-57.

［2］趙黨，夏麗娟，張星君.大型浮吊船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)估［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31（11）:114-119.

［3］胡嘉駿，邵伏華.基于實(shí)船試驗(yàn)的主船體結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法［J］.船舶力學(xué)，2011，15（11）:1278-1282.

［4］陳志堅(jiān).艦艇振動(dòng)學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

（責(zé)任編輯周江川）

Strength Test and Assessment of New Type Boat Hanger Bracket

YAN Qi-fang1，HOU Hai-liang2，ZHANG Cheng-liang2
（1.The No.91315thTroop of PLA，Dalian 116041，China；2.Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

In order to assess the strength performance of new type boat hanger bracket，thoughts and process were put forward according to test results.Structural test position，dangerous cases and vibrating feature of the hanger bracket were explored.Results show that the most dangerous case of hanger bracket during working process is in the emergent braking，and the most dangerous position happens in the place of corner and edge of structure and the danger of different position happens at different time.Structure vibrates with a function of the damped free vibration frequency near a balanced position with a vibrational frequency under 4 Hz and damping ratio about 0.03.Damping effect on structural vibration period and circular frequency can be ignored.Both theoretical analysis and experiments results prove that the article，which is about new type vessel frame structural intensity test and evaluation method of effective performance of checking the intensity of the vessel frame，has great practical value.

structure mechanics；boat hanger bracket；strength；test；assessment

閻齊方，侯海量，張成亮.新型艇架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試與評(píng)估［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2015（11）：19-22.

format：YAN Qi-fang，HOU Hai-liang，ZHANG Cheng-liang.Strength Test and Assessment of New Type Boat Hanger Bracket［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：19-22.

U663.1；TJ8

A

1006-0707（2015）11-0019-04

10.11809/scbgxb2015.11.006

2015-06-11

閻齊方（1978—），男，工程師，主要從事艦船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究；通訊作者：侯海量（1977—），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事艦船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，艦船結(jié)構(gòu)毀傷與防護(hù)研究。