艦船搖擺載荷下某貯存裝置強度仿真與應(yīng)力測試

李亞輝，戴宗妙，高治華

(中國船舶集團有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著艦船越來越長時間戰(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間也越來越長，艦船航行過程中的搖擺姿態(tài)是一個多自由度外加振動的動態(tài)運動體系，所有艦載設(shè)備均受到這一動態(tài)運動體系的影響，尤其是艦載設(shè)備的實際應(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)強度設(shè)計的重要依據(jù)。

目前艦載設(shè)備在研制時主要采用強度仿真分析或在艦船模擬搖擺臺上進行實驗測試的手段，驗證艦載設(shè)備的結(jié)構(gòu)強度是否滿足艦船搖擺工況的需求，但對于結(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進行實驗，其強度仿真分析的準(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搖擺實驗應(yīng)力測試和仿真分析計算2 種手段對貯存裝置的結(jié)構(gòu)強度進行驗證，對2 種手段的結(jié)果進行對比分析，檢驗仿真分析計算結(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)計提供依據(jù)。

1 艦船海況模擬平臺搖擺實驗

艦船海況模擬平臺是模擬實現(xiàn)艦載設(shè)備承受艦船搖擺環(huán)境后的結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的理想設(shè)備，它能夠接近真實地再現(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上對某型貯存裝置進行搖擺實驗。

2 應(yīng)力測試

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)變片進行應(yīng)力測試（測點標(biāo)記-分別對應(yīng)圖中測點-）。采用DH5925 動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)進行應(yīng)力測試。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變測點Fig.1 Stress and strain measuring point

搖擺實驗時，對貯存裝置進行應(yīng)力測試，截取1 200～1 500 s 穩(wěn)定搖擺狀態(tài)下的應(yīng)力測試曲線見圖2～圖4。由測試曲線可知，，，，和測試點的最大應(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 點應(yīng)力測試曲線Fig.2 S7,S8 point stress test curve

3 仿真分析計算

3.1 搖擺載荷系數(shù)計算

“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動加速度使其在縱向、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動，縱搖是船體繞橫軸所做的周期性角位移運動。假定艦船橫搖、縱搖同時達(dá)到最大值時艦載設(shè)備承受艦船搖擺的過載系數(shù)見下式：

圖3 S9、S10 點應(yīng)力測試曲線Fig.3 S9,S10 point stress test curve

圖4 S11 點應(yīng)力測試曲線Fig.4 S11 point stress test curve

根據(jù)搖擺實驗所用艦船模擬搖擺臺的實際參數(shù)，建立圖5 所示的艦船模擬搖擺臺搖心固定坐標(biāo)系，被試貯存裝置的質(zhì)心在模擬搖擺臺固定坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為(，，)，以搖擺實驗時的橫搖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上的實際質(zhì)心坐標(biāo)值為輸入，通過式（1）計算載荷系數(shù)見表1。

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

表1 搖擺實驗載荷系數(shù)Tab.1 Load factor of rocking test

3.2 搖擺工況下的應(yīng)力計算

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上的固定情況施加邊界條件，按照搖擺實驗的承載狀態(tài)施加質(zhì)量點，同時按照表1 的載荷系數(shù)對模型施加載荷，采用有限元軟件對貯存裝置結(jié)構(gòu)進行有限元分析，貯存裝置應(yīng)力測試點上的應(yīng)力計算結(jié)果如圖6 所示，，，，和測試點的應(yīng)力計算值分別為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 分析與對比

貯存裝置搖擺實驗應(yīng)力測試與仿真計算結(jié)果對比見表2。由結(jié)果對比情況可見，搖擺實驗應(yīng)力測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算結(jié)果的選取點不能完全一致以及應(yīng)力測試和仿真計算自身誤差造成的。

表2 搖擺實驗應(yīng)力測試與仿真計算結(jié)果對比表Tab.2 Comparison table of stress test and simulation calculation results of rocking experiment

5 結(jié) 語

本文通過搖擺實驗應(yīng)力測試與仿真2 種方法對搖擺載荷下艦船設(shè)備的結(jié)構(gòu)強度進行分析，并對2 種方法的結(jié)果進行了對比，驗證了結(jié)構(gòu)仿真分析的準(zhǔn)確性，為艦載設(shè)備特別是不易進行搖擺實驗的大型艦載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提供簡便快捷有效的設(shè)計方法，對裝備的研制具有重要意義。