棱柱型隐身桅杆结构强度试验研究Word文档下载推荐.docx

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1.1试验模型

试验模型材质采用与实船一样的材料,全部采用优质钢,整个桅杆模型外形尺寸与实船按1:

4的比例几何相似设计,模型桅杆部分板的加强材与实船桅杆板的加强材按惯性矩相似设计;

经计算实船桅杆的最大受力部位在桅杆的根部,桅杆的上部和中部受力基本相当,所以试验模型取桅杆的下半部,桅杆的上半部分的重量按几何相似模拟到试验模型的顶部.为了验证有限元计算的正确性,在试验模型设计中加入了有限元计算中必须考虑的边界条件:

在桅杆模型前面加入一层甲板,模型下的甲板部分的板及其加强材的设计也模拟了有限元计算中必须考虑的边界条件.其模型如图1所示.

图1试验模型图

由于事先已经采用有限元法进行了计算,对应力的分布已经有了较明确的了解.因此,应变片布置都是选择在较大应力的分布区.应变片布置为:

在桅杆正面右舷靠近前甲板顶棚处及中部各贴1片共贴2应变片,桅杆右舷中部靠近前后共贴4片应变片;

在桅杆后面中部贴1片应变片.本试验一共贴7片应变片.应变片布置如图2所示.

图2应变片布置图

1.2试验原理

在桅杆结构的强度计算中,主要的外载荷有:

桅杆自身和桅上设备的重力、风载、桅自身和桅上设备的摇摆惯性力以及冲击力.隐身桅杆自身和桅上设备的风载,与以往桁架式结构相比,由于受风面积增大,自然风载有所增大,然而经计算和试验都发现风载与桅自身和桅上设备的摇摆惯性力相比,前者比后者要小一个量级,而冲击力在摇摆台上无法模拟.因此,在强度试验的设计中,只考虑了重力和摇摆惯性力的影响.考虑到真实舰艇上的隐身桅的摇摆惯性力分为纵摇摇摆惯性力和横摇摇摆惯性力两种.故而强度试验分为:

模拟纵摇摇摆惯性力,测量桅杆应力较大区域的强度试验;

模拟横摇摇摆惯性力,测量桅杆应力较大区域的强度试验两种工况.

试验模型固定于摇摆台并与之构成摇摆系统如图3所示.因系统的摇摆周期为T=2π（I0/Mgl）1/2,而整个系统的转动惯量I0与M成正比,所以摇摆周期T与系统重心距转动轴的距离l的1/2次方根成反比.当在摇摆系统的摇摆台摆锤处加重量时,l变大,T变小;

当在摇摆系统的摇摆台摆锤处减重量时,l变小,T变大.所以,为了模拟真实舰船在海浪中的横摇和纵摇,必须对实验模型预先计算实验模型系统的横摇和纵摇摇摆周期.摇摆周期的大小可以通过摇摆台的配重加以调整.

图3摇摆系统图

设摇摆台过静平衡位置时,系统摇摆的最大动能为

系统横摇、纵摇的最大势能分别为

式中:

I0为整个系统绕转动轴的转动惯量,P为系统的摇摆角频率,A为系统的摇摆幅值,M为系统的总质量,L为系统重心距转动轴的距离,φmax为最大模拟横摇计算角（rad）,φmax为最大模拟纵摇计算角（rad）.

因此,系统的摇摆周期为

1.3试验设备及方法

试验设备由比利时LMS公司制造的SCADAIII数据采集前端及CADA2X信号分析系统、华东电子仪器厂制造的YD215动态应变仪、应变片和计算机组成.

1）本次纵摇试验分713、518、3129s等3个纵摇周期来做;

对应于每一个周期,使模型分别以4°

、6°

、8°

、10°

、12°

、14°

等6个纵摇角纵摇.综合起来共有18种纵摇实验状态.

具体的试验过程如下:

第1步,纵摇周期为7.3s的纵摇试验.用系统的摇摆周期T=2π（I0/MGl）1/2估算出在摇摆台摆锤处应配的重量,然后往摆锤处加相应的砝码,给试验模型施加纵摇力,使模型分别以4°

等6个纵摇角纵摇.用加速度传感器测量每个纵摇角的纵摇周期.由动态应变仪测量动态应变,并将动态应变经SCADAIII数据采集前端由CADA2X信号分析系统进行分析,由频谱分析可得出该纵摇角的纵摇周期及各测量点的应力的有效值和最大值.能够得到6种实验状态下的6个实验结果;

第2步,纵摇周期为5.8s的纵摇试验.用系统的摇摆周期T=2π（I0/MGl）1/2估算出在摇摆台摆锤处应配的重量,然后往摆锤处加相应的砝码,重复第1步,得到6种实验状态下的6个实验结果;

第3步,重复第1步、第2步,得到6种实验状态下的6个实验结果.

模拟纵摇试验如图4所示.

图4模拟纵摇试验

2）用吊车吊起桅杆模型,转90°

后,固定于摇摆台并与之构成摇摆系统.横摇试验分713、516、419s等3个纵摇周期来做;

对应于每一个周期,使模型分别以4°

、16°

、20°

等5个横摇角纵摇.综合起来共有15种横摇实验状态.

具体的试验过程如下（与模拟纵摇试验相类似）:

第1步,横摇周期为7.3s的纵摇试验.用系统的摇摆周期估算出在摇摆台摆锤处应配的重量,然后往摆锤处加相应的砝码,给试验模型施加横摇力,使模型分别以4°

等5个横摇角横摇.用加速度传感器测量每个横摇角的横摇周期.由动态应变仪测量动态应变,并将动态应变经SCADAIII数据采集前端由CADA2X信号分析系统进行分析,由频谱分析可得出该纵摇角的纵摇周期及各测量点的应力的有效值和最大值.能够得到6种实验状态下的6个实验结果;

第2步,横摇周期为5.6s的横摇试验.用系统的摇摆周期T=2π（I0/MGl）1/2估算出在摇摆台摆锤处应配的重量,然后往摆锤处加相应的砝码,重复第1步,得到6种实验状态下的6个实验结果;

模拟横摇试验如图5所示.

图5模拟横摇试验

在试验过程中,由动态应变仪测量动态应变,并将动态应变经SCADAIII数据采集前端由CADA2X信号分析系统进行分析,由频谱分析可得出各测量点的应力、应变的有效值[6～10].

2有限元计算

2.1计算工具和模型参数

桅杆应力的有限元计算是采用ANSYS有限元软件进行建模和计算的.

桅杆的三维有限元模型真实地模拟桅杆模型的空间结构,坐标采用右手坐标系的总体坐标系,原点在桅杆前壁根部中点处,X轴正方向指向舰艏,Y轴正方向指向舰左舷,Z轴正方向垂直向上.其采用的单元类型有[3]:

1）四边形和三角形板单元.这是可同时获得单元平面应力与剪切应力的单元类型,它是桅杆结构三维模型化的主要单元.主要用于模型化船体的甲板板、舷侧板、舱壁板、主桅杆和小桅杆包板.

2）梁单元.这是可同时获得单元轴向应力与弯曲应力的单元类型.应力结果是拉压应力和弯曲应力.主要用于模拟桅杆结构中纵骨、横梁、加强材以及摇摆支架等构件.

3）质量单元.用以模拟配重.

桅杆三维有限元模型可如图6所示.

图6桅杆模型

2.2模型载荷的计算公式

在桅杆强度试验中,考虑的载荷除自重外,主要的是摇摆惯性力,它包括模拟设备的质量和桅杆结构本身的质量两部分的摇摆惯性力.桅杆结构本身的质量的摇摆惯性力可通过ANSYS有限元软件自动加入,模拟设备的质量的摇摆惯性力可使用加入质量的办法通过ANSYS有限元软件以惯性力形式加入.

桅杆模型横摇时的惯性力:

[5]

桅杆模型纵摇时的惯性力：

M为模拟装置质量（kg）,Tφ为模拟横摇周期（s）,Tθ模拟纵摇周期（s）,φmax为最大模拟横摇计算角（rad）,θmax为最大模拟纵摇计算角（rad）,X、Y、Z为模拟装置重心至转轴的距离（m）.

2.3边界条件的处理

桅杆的根部与甲板连接,为了更好的近似桅杆根部的边界条件,取3个舱段长的三层甲板,考虑到甲板底部有托架支撑,所以托架与甲板底部相焊接的地方,利用ANSYS软件中的约束方程处理.边界条件可分为:

1）横摇时:

托架延x方向的中和轴刚固定.

2）纵摇时:

托架延y方向的中和轴刚固定.

2.4计算方案

有限元计算是为了和试验结果作相互验证,而试验状态有36种,无法一一验证.因此,取了几种试验状态进行计算,计算结果与试验结果进行比较分析.

3试验结果分析

3.1强度试验与理论计算结果比较

现分别取横摇周期为5.8s、角度为16°

和纵摇周期为5.8s、角度为12°

时的2种状态下的试验结果为例,通过有限元计算,考虑在这两种状态下桅杆的计算载荷,得出计算结果,与试验值相比较.其结果如表1所示.

表1应力与计算应力比较表

从表1中,不难看出,1号应变片测量所得的值与该位置理论计算所得的值之间的误差比其他应变片要大得多,这是因为1号点接近于加载位置,属于试验模型的边界条件处,从而导致了该局部位置的试验值与理论值之间有较大的误差.

3.2强度试验结果分析

在理论计算的结果中,高应力区大部分集中在桅杆靠近甲板附近区域,在试验中也证实了这一点.通过试验还发现,如果只改变摇摆角度、周期和压载中的一个参数而保持另外两个值不变,则测量所得的应力应变值将随着摇摆角度或压载的增加而增大,周期的增大而减小.下面分别以横摇周期和纵摇周期均为5.8s为例,给出应力随角度变化趋势.试验结果如图7所示.

图7横、纵摇周期为5.8s时的应力随角度变化图

从以上的试验值和图表中可以看出,各测量点的应力值在不同的周期下,分别都随着摇摆角度的增大而增大,减小而减小.应力值在不同角度下随周期的变化趋势总体上一致.这一非常有意义的结果,对于在桅杆的设计过程中,有着十分重要的参考价值.

4结束语

本次钢模试验的目的是校核有限元计算结果的可信性,并分析在不同的摇摆周期和摇摆角度的条件下,桅杆结构的应力变化趋势.通过试验和计算对比,发现有限元计算和试验结果间的误差很小,并且在相同周期条件下,应力值随摇摆角度的增加而增加,在相同摇摆角度的条件下,应力值随周期的增加而减小.说明利用有限元计算桅杆结构的应力值是可信的.这一结论对今后桅杆的设计有参考意义.

参考文献:

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清华大学出版社,1996.

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