閻齊方，侯海量，張成亮

（1.91315部隊，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)強度測試與評估

閻齊方1，侯海量2，張成亮2

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

為了評估一種新型保障小艇艇架結(jié)構(gòu)強度性能，針對一般的情況進行分析，提出了評估艇架結(jié)構(gòu)強度性能的思路和步驟，利用強度理論探討了結(jié)構(gòu)測點的位置、危險情況和振動特性，并結(jié)合小艇艇架測量結(jié)果做出了分析。結(jié)果表明：艇架結(jié)構(gòu)在工作過程中，結(jié)構(gòu)強度最危險的情況發(fā)生在急剎車階段，最危險的位置發(fā)生在結(jié)構(gòu)的拐角邊緣處，不同位置結(jié)構(gòu)發(fā)生的危險時刻不同；結(jié)構(gòu)在平衡位置附近做低頻小阻尼自由振動，振動頻率低于4 Hz，阻尼比約為0.03，阻尼對結(jié)構(gòu)振動周期和圓頻率影響可以忽略。研究結(jié)果對于新型艇架結(jié)構(gòu)的強度測試和評估的方法能有效地校核艇架的強度性能，具有較大的實用價值。

結(jié)構(gòu)力學(xué)；艇架；強度；測試；評估

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，對于機動性強的新型小艇能否有效地投入戰(zhàn)斗發(fā)揮著重要的作用，因此開展結(jié)構(gòu)強度性能測試和評估有重大的意義。對于新型結(jié)構(gòu)的強度研究一直是各方關(guān)注的焦點。趙勝濤等［1］根據(jù)自升式平臺的特性，論述了結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評估和結(jié)構(gòu)計算的內(nèi)容；趙黨等［2］對各種典型的浮吊船載荷工況進行了船體結(jié)構(gòu)強度評估，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的合理化建議；胡嘉駿［3］基于實船試驗結(jié)果，提出了極值預(yù)報兩種船體的評估方法。

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)的危險情況，了解其振動特性，為進一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計和評估做準(zhǔn)備。本研究基于此提出了評估艇架結(jié)構(gòu)強度性能的思路和步驟，利用通用理論探討了結(jié)構(gòu)測點的位置、危險情況和振動特性，并結(jié)合實際的測量工作對新型艇架結(jié)構(gòu)進行了具體分析。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 測點及貼片布置

試驗用小艇艇架為對稱桁架結(jié)構(gòu)，考慮應(yīng)力集中因素的影響，測點位置確定為桁架連接處以及結(jié)構(gòu)拐角和邊緣位置（見圖1）。電阻應(yīng)變計采用應(yīng)變極限為2%的普通應(yīng)變片，應(yīng)變片用502膠水粘貼于各測點位置處，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，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖1 測點布置示意圖

1.2 試驗工況

工況1：小艇1.1倍裝載，并在空中完成兩次放艇和收艇，每次放艇過程中進行一次急停（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)測量

測點采用1/4橋接線法，為了平衡長導(dǎo)線的電阻的影響，盡量控制導(dǎo)線長度，使用三芯導(dǎo)線補償長導(dǎo)線電阻影響。

1.4 試驗實施

根據(jù)試驗工況要求，實驗在南海某海域四級海況下進行，三一浪高為1.5～2 m，某大型水面艦艇提供實驗平臺。根據(jù)實際情況，小艇在收放過程中急停是最危險的工況，測試過程分兩步開展：首先測試小艇1.1倍裝載，并在空中完成兩次放艇和收艇，每次放艇過程中進行一次急停（即剎車）操作，測試艇架在這一過程中的動應(yīng)變；然后測試艇架在小艇滿載工況下，入水、脫水時的動應(yīng)變。

2 測量結(jié)果及分析

2.1 實驗過程分析

小艇艇架應(yīng)變受小艇裝載及吊放過程影響，小艇按1.1倍裝載進行測量實驗，以6號測點為例如圖2、圖3所示，按階段分析小艇艇架應(yīng)變過程（見表1）及影響因素。①小艇起吊階段：小艇起吊開始時，艇架突然加載，但由于小艇未離開基座，艇架應(yīng)變在一個較小的值，并保持一段時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，運動結(jié)束后艇架應(yīng)變在均值附近呈正弦波周期振動。②小艇平移、外放階段如圖2：小艇起吊到最高點之后，緩慢向船舷外側(cè)水平移動，此時艇高度不發(fā)生變化，靠艇架的機械運動將小艇移送到舷側(cè)水面以上指定位置。在此階段，小艇起吊階段結(jié)束時刻，艇架應(yīng)變達到該階段的峰值，之后艇架應(yīng)變在均值附近呈正弦波周期振動。③小艇上下起落階段：小艇上下起落兩次，每次往下放艇過程中有一次急剎車，放艇到接近水面位置后直接一次收艇到最高點。在此階段，艇架應(yīng)變在小艇剎車和到達最低點處出現(xiàn)峰值，應(yīng)變同樣在其均值附近呈周期振動。④小艇回收階段：此階段回收小艇，其過程和“小艇上下起落階段、小艇起吊階段”過程相反，艇架應(yīng)變出現(xiàn)相應(yīng)峰值、周期和振幅。

圖2 艇架6號測點應(yīng)變時程曲線（1 mv=1 με）

圖3 小艇平移外放階段艇架6號測點放大圖

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，鋼絲繩處于緊繃狀態(tài)，艇架結(jié)構(gòu)在初始時刻存在一定的應(yīng)變即預(yù)應(yīng)變，由各測點應(yīng)變時程曲線可知1、2測點表現(xiàn)尤其明顯，所以1、2測點應(yīng)變零線取小艇落水后的應(yīng)變值作為參考零點；3～18號測點預(yù)應(yīng)變表現(xiàn)不明顯，同時在整個起吊過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刻應(yīng)變值作為參考零點。表2給出了小艇收放過程中艇架1、2號測點各階段的應(yīng)變均值和峰值。表3給出了小艇收放過程中艇架3～18號測點各階段的應(yīng)變均值和峰值。

表1 艇架測試階段劃分時刻

表2 小艇吊放過程中艇架1、2號測點應(yīng)變值

表3 小艇吊放過程中艇架3-18號測點應(yīng)變值

由表2、表3和應(yīng)變時程曲線可知：①小艇吊放過程和回收過程中，6、7號測點應(yīng)變值相對較大。應(yīng)變最大的測點發(fā)生在7號測點（主架前壁根部位置，見圖1），最大壓應(yīng)變1 028 με，壓應(yīng)變最大均值658 με。6號測點（主架前壁根部位置，見圖1），最大拉應(yīng)變725 με，拉應(yīng)變最大均值396 με。②小艇吊放過程和回收過程中，相同測點出現(xiàn)最大應(yīng)變值的時間不同。1、2測點（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刻；3～8號測點應(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最低（高）點時刻；9～16號測點最大值相對較小，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號測點在吊放的整個過程中應(yīng)變均在100～300 με之間。③小艇吊放過程和回收過程中，不同測點出現(xiàn)應(yīng)變較大值的階段主要集中在小艇起落階段，剎車或者到達最低（高）點時刻。6、7號測點在吊放的整個過程中，其應(yīng)變值都較大，大于500 με。實驗中，小艇艇架同一測點應(yīng)變隨小艇運動階段的不同而不同；小艇艇架不同位置測點應(yīng)變值與測點位置關(guān)系密切，不同位置測點出現(xiàn)應(yīng)變峰值的時間不同。

2）艇架應(yīng)力分析

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

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

表4 小艇吊放過程中艇架測點應(yīng)力值

由表4可知，艇架各測點在小艇吊放和回收過程中，平均應(yīng)變最大值發(fā)生在7號測點處，該點最大應(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)靜強度滿足要求。

2.3 艇架動態(tài)振動特性分析

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，一段時間后趨于某一平衡值。艇架在一個運動過程到下一運動過程之間的振動可認(rèn)為是有阻尼自由振動［4］，其特性如下：運動過程結(jié)束時刻開始，艇架應(yīng)變驟增，到達最高點之后很快衰減，其在第一個周期內(nèi)衰減最劇烈，之后在平衡位置附近波動，最后趨于平衡位置；與無阻尼狀態(tài)相比，有阻尼狀態(tài)自由振動周期隨振動時間增加，振動周期逐漸變大、振動頻率逐漸變小；相鄰的兩個振幅之比為常數(shù)。

根據(jù)有阻尼單自由度系統(tǒng)振動特性和測點時間歷程曲線可得系統(tǒng)的阻尼系數(shù)如表5所示。

表5 艇架測點振動特性

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

3 結(jié)束語

由于工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，本研究僅針對一般的情況進行分析提出了評估艇架結(jié)構(gòu)強度性能的思路和步驟，利用通用理論探討了結(jié)構(gòu)測點的位置、危險情況和振動特性。對于影響結(jié)構(gòu)本身的振動特性的因素有待進一步的具體分析和研究。

［1］趙勝濤，魏忠華，邱欣.自升式移動平臺結(jié)構(gòu)安全評估研究［J］.中國修船，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)計和強度評估［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31（11）:114-119.

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

［4］陳志堅.艦艇振動學(xué)［M］.北京:國防工業(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)強度測試與評估［J］.四川兵工學(xué)報，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)強度研究；通訊作者：侯海量（1977—），男，博士，高級工程師，主要從事艦船結(jié)構(gòu)強度，艦船結(jié)構(gòu)毀傷與防護研究。