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)
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)。
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)。
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
“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
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
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
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。