摘要：以舰船棱柱型结构的全封闭型隐身桅杆为研究对象,利用比利时LMS 公司的SCADAIII 数据采集器及CADA2X 信号分析系统和相关设备对其进行强度与振动试验,用试验获得的数据与利用ANSYS 有限元计算软件计算的结果相比较,从而验证三维有限元法的可靠性. 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. 同时获得了一些关于这种复杂结构形式的桅杆在舰船不同纵(横) 摇角、周期及桅杆压载情况下,结构强度的有一定意义的研究成果,为隐身桅杆的设计提供参考.
关键词：全封闭棱柱型隐身桅杆;强度试验;三维有限元法
在水面舰艇的最新发展趋势中, 各海军大国除了重视船型研究、武器系统、电子设备、自动化程度及多用途舰船研究等方面以外, 还普遍重视舰艇隐身技术的研究和运用. 桅杆是现代舰艇的一种重要的上层建筑,因其位于上层建筑的最高处,极易被发现. 为了达到隐身的目的,除了使用有吸波功能的新材料来建造外,通过对舰船桅杆结构的造型改造,设计一种能够避免雷达反射面过大的结构, 不失为一种很好的隐身方法. 常规的桁架结构由于其自身的特点不能满足隐身的要求,因此在现代舰艇设计中,已广泛采用筒型结构, 这大大提高了全船的隐身性能.
为了达到舰船隐身的目的, 桅杆的结构不仅由桁架结构改为筒型,并且在外型设计上也由前后对称型变为前后不对称型, 其结构和外型与传统的桁架结构有很大的差别[1 ] . 这使得桅杆的动静力学性能发生了重大变化,尤其是筒型桅杆的特殊形状,当风向角在一定范围内时,会导致桅杆产生抖振,这不仅影响桅杆上面安装的通讯设备的正常工作和上层建筑结构及桅杆本身的强度, 还会使雷达波反射到甲板后再反射回去,这样大大降低了全船的隐身性能. 而隐身桅杆的结构不同于以往桅杆的结构, 它只能采用加筋板来加强结构. 对于这样在设计上无疑会产生一些新的问题,继而引起其固有频率和动、静强度都会发生变化. 因此从计算和试验上研究桅杆的结构强度和振动问题, 从而设计出满足动静力学性能要求的桅杆结构, 这无疑具有很大的实用意义[1～10 ] .
1 试验准备
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, φ max 为最大模拟横摇计算角(rad) , φ max 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 、3129 s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. 3 s 的纵摇试验. 用系统的摇摆周期T = 2π( I0/ M Gl)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°、6°、8°、10°、12°、14°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. 8 s 的纵摇试验. 用系统的摇摆周期T = 2π( I0/ M Gl)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 、419 s等3 个纵摇周期来做;对应于每一个周期,使模型分别以4°、8°、12°、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. 3 s 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°、8°、12°、16°、20°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/ M Gl)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：
式中: 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) , φ max 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. 8 s、角度为16°和纵摇周期为5. 8 s、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. 8 s 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. 8 s 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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