潛水器載體框架極限承載試驗裝置設(shè)計與驗證

陳 鵬，李玲瓏，李艷青，葉 聰

(1. 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2. 深海技術(shù)科學(xué)太湖實驗室，江蘇無錫 214082；3. 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

潛水器載體框架建造完成后，須進(jìn)行極限承載試驗，以校核框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，驗證設(shè)計可靠性和制造質(zhì)量[1]。目前主要采用方式：研制相應(yīng)工裝和機(jī)構(gòu)，將載體框架懸掛起來；通過重物懸掛或液壓加載的方式施加載荷[2]，從而達(dá)到考核載體框架的目的。但是，隨著不同應(yīng)用深度的潛水器相繼出現(xiàn)，潛水器之間重量和尺寸也出現(xiàn)較大差異，原有的試驗方式也暴露一些問題：1）不同的載體框架試驗，需要設(shè)計和制造不同的工裝和機(jī)構(gòu)，造成資源浪費以及研制周期和成本增加；2）原有懸掛重物的加載方式，存在無法同步加載，精度較差，安全性不足，工作效率低等問題；3）對于大型潛水器，整體施加的載荷達(dá)到80 t左右，對支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，加載系統(tǒng)的同步性和準(zhǔn)確性都提出了較高的要求，目前沒有相應(yīng)的試驗裝置能夠完成。為解決大型潛水器框架極限承載試驗實施困難問題，本文設(shè)計一種用于潛水器載體框架極限承載試驗的通用試驗裝置。首先基于通用性的設(shè)計理念完成了試驗裝置的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計，利用有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)在極限載荷作用下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后通過某載體框架承載試驗考核驗證。

1 試驗裝置結(jié)構(gòu)及加載系統(tǒng)設(shè)計

潛水器框架極限承載試驗，主要是考核載體框架起吊工況下的結(jié)構(gòu)安全性。因而，潛水器框架極限承載試驗裝置要能夠?qū)⑤d體框架懸掛住，在最高試驗載荷下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足使用要求；還要能夠?qū)崿F(xiàn)同步加載。參考國內(nèi)載體框架的基本尺寸[3–6]，將最高試驗載荷100 t，載體框架最大尺寸（長為10 m，高為4 m，寬為4 m）作為試驗裝置的設(shè)計輸入。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為兼容不同規(guī)格尺寸潛水器的載體框架承載試驗，試驗裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，需要考慮3 個方面的內(nèi)容：1）結(jié)構(gòu)尺寸要能適配載體框架最大尺寸，即龍門吊垂向高度大于4.5 m，龍門架的寬度要大于4.5 m，底座T 型軌道要長于10 m；2）加載點油缸基座能根據(jù)加載點位置不同而調(diào)整；3）在最高試驗作用下（100 t），結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度能夠滿足使用要求。試驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖1 所示。

圖 1 試驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Fig. 1 Structural design scheme of test device

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，門式支架和坐底鋼板焊接固定形成一個具有良好承力性能的閉合結(jié)構(gòu)，且2 條T 形軌道焊接在坐底鋼板上，能夠提高坐底鋼板的剛度，使得在高載荷多點同步加載時，也能夠有效控制試驗裝置整體變形，保證高載荷加載試驗的順利實施。由工裝連接件裝配圖（見圖2）可知，油缸基座可以在T 形軌道內(nèi)縱向移動，滿足不同框架加載點位置變化的需求。工裝連接件采用鏈條連接方式，能有效傳遞油缸的軸向拉伸載荷，而不會傳遞彎矩和壓縮載荷。

圖 2 工裝連接件裝配圖Fig. 2 Assembly drawing of connector

1.2 加載系統(tǒng)設(shè)計

載體框架極限承載試驗的加載方式具有以下特點：1）多個加載點需要同步加載；2）框架會產(chǎn)生剛性轉(zhuǎn)動位移和自身變形，進(jìn)而影響加載點受力；3）達(dá)到各階段的最高載荷后，需要保載10 min。

針對上述加載特點，設(shè)計1 套液壓加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1 臺多點同步加載液壓泵站、1 套計算機(jī)工控操作系統(tǒng)、8 臺30 t 拉力液壓油缸和液壓油管等附件組成。液壓泵站輸出獨立的8 路變頻調(diào)速泵組，利用安裝在液壓加載油路內(nèi)的壓力傳感器與變頻調(diào)速液壓泵組組成壓力閉環(huán)控制，根據(jù)計算機(jī)工控操作系統(tǒng)的拉力加載指令，可進(jìn)行8 路同步等比例加載、階梯加載等多種恒壓加載方式。單油缸加載液壓回路如圖3所示，加載系統(tǒng)控制原理如圖4 所示，加載系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表 1 加載系統(tǒng)參數(shù)表Tab. 1 Load system parameter list

圖 3 單油缸加載液壓回路Fig. 3 Single cylinder loading hydraulic circuit

圖 4 加載系統(tǒng)控制原理圖Fig. 4 Load system control schematic diagram

2 結(jié)構(gòu)性能分析

2.1 結(jié)構(gòu)材料性能及應(yīng)力許用值

考慮經(jīng)濟(jì)性和加工性，試驗裝置主要采用50 mm，25 mm 厚的Q345B 鋼。Q345 鋼材料性能，如表2 所示。根據(jù)《潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范》[7]可知，在吊放和起重結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載試驗時，安全系數(shù)取為1.15 倍，載體框架的拉應(yīng)力（1 .0[σ]）、壓應(yīng)力（1 .0[σ]）、剪應(yīng)力（ 0.58[σ]）的許用值見表2。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[8]，位移許用值不超過 ?/500 （ ?為跨距，單位mm）。

表 2 Q345B 鋼材料性能及應(yīng)力許用值Tab. 2 Material properties and allowable stress values of Q345B

2.2 結(jié)構(gòu)計算和分析

依據(jù)結(jié)構(gòu)材料性能及應(yīng)力許用值，計算載荷取100 t（單個加載點取30 t），分別采用理論和有限元方法對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[9–10]，包括門式支架橫梁、起吊耳板、坐底鋼板等。計算結(jié)果如表3 所示。

由圖5～圖9 和表3 可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在門式支架橫梁的中部（116 MPa/-116 MPa），最大位移出現(xiàn)在坐底鋼板的尾部（5.1 mm）。試驗裝置結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移均滿足使用要求。

表 3 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果及校核Tab. 3 Structure calculation results and checking

圖 5 門式支架橫梁應(yīng)力云圖Fig. 5 Stress cloud diagram of portal support beam

圖 6 門式支架橫梁位移云圖Fig. 6 Displacement cloud diagram of portal support beam

圖 7 坐底鋼板應(yīng)力云圖Fig. 7 Stress cloud diagram of bottom plate

圖 8 坐底鋼板位移云圖Fig. 8 Displacement cloud diagram of bottom plate

圖 9 試驗對象Fig. 9 Test object

3 極限承載試驗驗證

3.1 極限承載試驗說明

本次極限承載試驗的對象是某載人潛水器載體框架，如圖9 所示。載體框架的主尺度為：長度7.5 m，寬度2.6 m，高度3.0 m。承載試驗載荷總重量為76.7 t，分8 個加載點施加。試驗按照三階段（1 倍自重，1.5 倍自重，2.04 倍自重）逐步加卸載2 次，每階段保壓10 min，各階段下各加載點的載荷大小及位置，如表4 所示。

表 4 極限承載試驗載荷大小及位置Tab. 4 Ultimate test load value and position

3.2 試驗過程及結(jié)果

試驗實施過程如下：將潛水器載體框架頂部連接到起吊耳板上，載體框架處于懸掛狀態(tài)。根據(jù)載體框架加載點位置要求，在T 型軌道之間調(diào)整油缸基座的位置，使得液壓油缸和工裝連接件位于載體框架加載點下方，并將工裝連接件與載體框架上的工裝連接到位。全部加載點工裝連接完畢后，啟動同步加載液壓泵站及控制柜。將試驗所需的載荷參數(shù)輸入到計算機(jī)中，液壓系統(tǒng)開始工作，全部加載點下方的液壓油缸開始同步等比例加載（施加向下的拉力），最終同時達(dá)到指定的載荷。隨后按要求進(jìn)行一定時間的保載，保載結(jié)束后，液壓系統(tǒng)開始卸載。重復(fù)上述步驟2 次，極限承載試驗完成。

結(jié)果顯示：試驗裝置的加載系統(tǒng)按照試驗要求完成了載荷的施加，比例同步加載速度1 MPa/min（6.2 kN/min），恒壓狀態(tài)下加載力最大偏差0.07 MPa（0.43 kN），滿足精度≤±1%的要求；試驗裝置的結(jié)構(gòu)經(jīng)受住了極限載荷的考核，坐底鋼板的尾部測量的最大變形為4.9 mm，與結(jié)構(gòu)分析預(yù)報值（5.1 mm）相差僅4%，小于許用值18.4 mm；試驗關(guān)鍵部位的測試應(yīng)力最大值為112 MPa，出現(xiàn)在坐底鋼板橫梁中部，小于許用值256 MPa。極限承載試驗后，對關(guān)鍵部位的焊縫進(jìn)行探傷檢測，未見裂紋。極限載荷試驗的安全性檢測內(nèi)容顯示，試驗裝置強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。

4 結(jié) 語

通過上述設(shè)計、分析和試驗驗證，得到以下結(jié)論：1）本裝置采用多點同步液壓加載系統(tǒng)，具備加載精度高、載荷同步性好且載荷能夠得到實時監(jiān)測和控制的特點，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)；2）本裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計合理可行，極限載荷試驗的安全性檢測內(nèi)容顯示，試驗裝置強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，能夠滿足極限載荷在100 t 以內(nèi)的載體框架極限承載試驗要求；3）本裝置具有良好的通用性，能夠適應(yīng)多種規(guī)格的載體框架的承載試驗，達(dá)到降低使用成本，縮短研制周期的效果，解決大型潛水器框架起吊承載試驗實施困難問題，填補(bǔ)國內(nèi)該類通用性試驗裝置的空白。