某型船用電子設(shè)備升降桿的抗風(fēng)抗撓強(qiáng)度計(jì)算

王曉龍

摘? 要：本文對某型采用單桿支撐，豎立于船體上相應(yīng)位置、殼體為圓臺型的電子設(shè)備升降桿的強(qiáng)度進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。依據(jù)給定的抗風(fēng)力等級要求，結(jié)合設(shè)備的工作狀況、外形特征，校核計(jì)算了該設(shè)備升降桿的抗風(fēng)抗撓強(qiáng)度能力，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以確定升降桿的設(shè)計(jì)是否滿足強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備;升降桿;抗風(fēng)抗撓強(qiáng)度

1、引言

某型船用電子設(shè)備為了能更大范圍的接收和發(fā)射信號，一般將該設(shè)備置于船上相對較高位置。本文討論的電子設(shè)備采用托盤和單桿支撐方式豎立于船殼突出部位。由于海上風(fēng)浪大，為了保證設(shè)備的安全運(yùn)行。本文對某電子設(shè)備的升降桿裝置進(jìn)行了抗風(fēng)抗撓強(qiáng)度分析和計(jì)算，以初步判斷該設(shè)計(jì)能否保證設(shè)備正常工作要求。

2、設(shè)備組成及工況要求

2.1設(shè)備組成及外形尺寸：該成套設(shè)備主要由四個(gè)部分組成：圓臺型電子設(shè)備、托板、升降桿、基礎(chǔ)法蘭組成。其中電子設(shè)備及托板作為整體看待;升降桿材質(zhì)采用304不銹鋼管，外徑Φ32壁厚3mm。如圖1所示。

2.2適應(yīng)工況要求

設(shè)備在3級海況、6級風(fēng)力情況下（參考風(fēng)速10.8-13.8m/s），船舶全速航行時(shí)（參考航速30節(jié)，約合15.4m/s）設(shè)備正常工作、搖擺角度在±5°范圍內(nèi)，且升降裝置不發(fā)生損壞。

3、抗風(fēng)強(qiáng)度計(jì)算

船舶的運(yùn)動(dòng)方向有順風(fēng)和逆風(fēng)兩種情況，為了充分校核升降桿的強(qiáng)度同時(shí)簡化模型，本文按照最惡劣的工況考慮：一是設(shè)備和桿的迎風(fēng)圓弧面均按照平面受力計(jì)算;二是設(shè)定船舶在逆風(fēng)航行，取最大風(fēng)力和最大航速的合速度進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1已知條件：

最大風(fēng)速：

Vmax=V風(fēng)速+V航速=13.8+15.4=29.2 m/s

P風(fēng)壓=v2/16=（29.2）2/16=532.9 N/m2

升降桿材質(zhì)：304不銹鋼管，其物理性能如下：

屈服強(qiáng)度：[σ]≥205MPa? Pa= N/m2

彈性模量：E=206GPa =206000MPa

電子設(shè)備及托板總重量：12kg升降桿重量：6.58kg

3.2迎風(fēng)面積及重心高度：

S設(shè)備=0.3×（0.5+0.42）×0.5=0.138 m2

H設(shè)備=3.15m

S升降桿=3×0.032=0.096 m2

H升降桿=1.5m

3.3風(fēng)壓對設(shè)備各部分的彎矩：

風(fēng)壓對升降桿的彎矩最大作用點(diǎn)在基礎(chǔ)法蘭與升降桿根部相交處的圓環(huán)截面，隨著高度不同而變化。我們采用近似計(jì)算，取該設(shè)備及升降桿迎風(fēng)面的幾何中心處的彎矩進(jìn)行計(jì)算：

M設(shè)備= P風(fēng)壓×S設(shè)備×H設(shè)備=532.9×0.138×3.15=231.65N·m

M升降桿= P風(fēng)壓×S升降桿×H升降桿=532.9×0.096×1.5=76.74N·m

M總=（M設(shè)備+ M升降桿）=308.39N·m

3.4升降桿的抗彎截面系數(shù)：

Wz=π（D4-d4）/32D=[3.14×（0.0324-0.0264）]/32×0.032=1.81×10-6 m3

3.5升降桿根部理論彎矩允許值：

[M]= Wz[σ]=1.81×10-6×205×106=371.05 N·m

結(jié)論：[M]>M總

所以：升降桿的強(qiáng)度是安全的。

4、擾度計(jì)算

4.1升降桿的截面慣性距：

I=π（D4-d4）/64=[3.14×（0.0324-0.0264）]/64=2.9×10-8mm4

4.2最大撓度處的載荷：

該結(jié)構(gòu)中升降桿的最大撓度點(diǎn)在桿頂端與托盤連接處位置，高度為3m。為最大限度考慮強(qiáng)度余量并方便計(jì)算，將升降桿重心處的彎矩M升降桿直接看作最大撓度處彎矩計(jì)算。

Q= M總/ H設(shè)備=308.39÷3=102.8 N

4.3風(fēng)壓對設(shè)備產(chǎn)生的撓度：

Ymax= 1 QH3/3E I

=（102.8×30003）/（3×206×1015×2.9×10-8）

=154.87mm

4.4升降桿的理論撓度允許值：

按照已知工況，要求設(shè)備搖擺角度不大于5°，升降桿頂部最大撓度允許值：

[Ymax]=3000×tan5°=262.5mm

結(jié)論：[Ymax]>Ymax

所以：升降桿的撓度符合要求。

5、結(jié)束語

本文依據(jù)客戶提出的船舶在使用該設(shè)備時(shí)的航行海況，主要依據(jù)例行實(shí)驗(yàn)的要求從材料力學(xué)的角度對升降桿的抗風(fēng)和抗撓強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，忽略了風(fēng)速的不均勻系數(shù)，空氣動(dòng)力系數(shù)以及風(fēng)向與設(shè)備之間的夾角等因素，以及為方便計(jì)算對模型簡化（均按最大受力進(jìn)行計(jì)算等），校核了升降桿的抗風(fēng)抗撓度，從計(jì)算結(jié)果可以看出實(shí)際危險(xiǎn)處的截面應(yīng)力及升降桿撓度均小于理論允許值，且尚有一定余量，滿足工況要求。故此升降桿的設(shè)計(jì)是安全可靠的，可以按此模型開展相應(yīng)結(jié)構(gòu)的細(xì)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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