艦船搖擺載荷下某貯存裝置強(qiáng)度仿真與應(yīng)力測(cè)試

李亞輝，戴宗妙，高治華

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著艦船越來越長(zhǎng)時(shí)間戰(zhàn)備值班于重要海域，艦載設(shè)備經(jīng)受海上復(fù)雜氣象條件作用的時(shí)間也越來越長(zhǎng)，艦船航行過程中的搖擺姿態(tài)是一個(gè)多自由度外加振動(dòng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)體系，所有艦載設(shè)備均受到這一動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)體系的影響，尤其是艦載設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用受到艦船搖擺姿態(tài)的影響極大，艦載設(shè)備在極端海況下承受的載荷是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

目前艦載設(shè)備在研制時(shí)主要采用強(qiáng)度仿真分析或在艦船模擬搖擺臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的手段，驗(yàn)證艦載設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足艦船搖擺工況的需求，但對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸較大的艦載設(shè)備，難以找到合適的艦船模擬搖擺臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其強(qiáng)度仿真分析的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。

本文以某型貯存裝置為列，通過艦船模擬搖擺臺(tái)搖擺實(shí)驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試和仿真分析計(jì)算2 種手段對(duì)貯存裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)2 種手段的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，檢驗(yàn)仿真分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為大型艦載設(shè)備搖擺載荷下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 艦船海況模擬平臺(tái)搖擺實(shí)驗(yàn)

艦船海況模擬平臺(tái)是模擬實(shí)現(xiàn)艦載設(shè)備承受艦船搖擺環(huán)境后的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的理想設(shè)備，它能夠接近真實(shí)地再現(xiàn)艦船在不同海況下的搖擺情況，使艦載設(shè)備研制在陸基環(huán)境下接受艦載環(huán)境考核，對(duì)提升艦載設(shè)備的研制質(zhì)量具有重要意義。

選取橫搖22°周期14 s，縱搖5°周期7 s 的搖擺工況在艦船海況模擬平臺(tái)上對(duì)某型貯存裝置進(jìn)行搖擺實(shí)驗(yàn)。

2 應(yīng)力測(cè)試

搖擺工況下，貯存裝置立柱主體和肋板結(jié)合處受到的局部應(yīng)力較大，導(dǎo)軌存放區(qū)中心部位也受到較大應(yīng)力，在圖1 所示應(yīng)力較大部位粘貼三向應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試（測(cè)點(diǎn)標(biāo)記-分別對(duì)應(yīng)圖中測(cè)點(diǎn)-）。采用DH5925 動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)Fig.1 Stress and strain measuring point

搖擺實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)貯存裝置進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，截取1 200～1 500 s 穩(wěn)定搖擺狀態(tài)下的應(yīng)力測(cè)試曲線見圖2～圖4。由測(cè)試曲線可知，，，，和測(cè)試點(diǎn)的最大應(yīng)力分別為5.07 MPa，5.89 MPa，2.28 MPa，3.1 MPa 和3.88 MPa。

圖2 S7、S8 點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試曲線Fig.2 S7,S8 point stress test curve

3 仿真分析計(jì)算

3.1 搖擺載荷系數(shù)計(jì)算

“載荷系數(shù)是艦船結(jié)構(gòu)或設(shè)備由于重力加速度和艦船運(yùn)動(dòng)加速度使其在縱向、橫向和垂向上受到的載荷和重力的比值”，橫搖是船體繞縱軸所做的周期性角位移運(yùn)動(dòng)，縱搖是船體繞橫軸所做的周期性角位移運(yùn)動(dòng)。假定艦船橫搖、縱搖同時(shí)達(dá)到最大值時(shí)艦載設(shè)備承受艦船搖擺的過載系數(shù)見下式：

圖3 S9、S10 點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試曲線Fig.3 S9,S10 point stress test curve

圖4 S11 點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試曲線Fig.4 S11 point stress test curve

根據(jù)搖擺實(shí)驗(yàn)所用艦船模擬搖擺臺(tái)的實(shí)際參數(shù)，建立圖5 所示的艦船模擬搖擺臺(tái)搖心固定坐標(biāo)系，被試貯存裝置的質(zhì)心在模擬搖擺臺(tái)固定坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為(，，)，以搖擺實(shí)驗(yàn)時(shí)的橫搖22°周期14 s，縱搖5°周期7 s 的搖擺參數(shù)及貯存裝置在艦船模擬搖擺臺(tái)上的實(shí)際質(zhì)心坐標(biāo)值為輸入，通過式（1）計(jì)算載荷系數(shù)見表1。

圖5 艦船模擬搖擺臺(tái)坐標(biāo)系與貯存裝置位置Fig.5 Ship simulation rocking table coordinate system and storage device location

表1 搖擺實(shí)驗(yàn)載荷系數(shù)Tab.1 Load factor of rocking test

3.2 搖擺工況下的應(yīng)力計(jì)算

建立貯存裝置有限元模型，按照貯存裝置在艦船海況模擬平臺(tái)上的固定情況施加邊界條件，按照搖擺實(shí)驗(yàn)的承載狀態(tài)施加質(zhì)量點(diǎn)，同時(shí)按照表1 的載荷系數(shù)對(duì)模型施加載荷，采用有限元軟件對(duì)貯存裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，貯存裝置應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)上的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6 所示，，，，和測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算值分別為5.34 MPa，5.53 MPa，2.05 MPa，2.61 MPa和3.31 MPa。

圖6 S7、S8、S9、S10、S11 點(diǎn)應(yīng)力仿真結(jié)果Fig.6 Stress simulation results of S7,S8,S9,S10,S11 points

4 分析與對(duì)比

貯存裝置搖擺實(shí)驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。由結(jié)果對(duì)比情況可見，搖擺實(shí)驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試值與仿真值基本相同，最大誤差值為15.8%，這是由于應(yīng)變片張貼位置與仿真計(jì)算結(jié)果的選取點(diǎn)不能完全一致以及應(yīng)力測(cè)試和仿真計(jì)算自身誤差造成的。

表2 搖擺實(shí)驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比表Tab.2 Comparison table of stress test and simulation calculation results of rocking experiment

5 結(jié) 語

本文通過搖擺實(shí)驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試與仿真2 種方法對(duì)搖擺載荷下艦船設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，并對(duì)2 種方法的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)仿真分析的準(zhǔn)確性，為艦載設(shè)備特別是不易進(jìn)行搖擺實(shí)驗(yàn)的大型艦載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供簡(jiǎn)便快捷有效的設(shè)計(jì)方法，對(duì)裝備的研制具有重要意義。