一種結構垂向沖擊載荷測量方法分析研究

莫立新 涂 三 周心桃

1大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧 大連116011 2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

一種結構垂向沖擊載荷測量方法分析研究

莫立新1涂 三2周心桃2

1大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧 大連116011 2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

某些作用在艦船結構上的瞬態(tài)動載荷，由于受到客觀條件限制（比如空間狹小），不方便直接通過壓力傳感器獲得其大小，而該載荷對于船體結構設計又關系重大，如何取得外載荷曲線便成了十分關鍵的問題。針對實船某承受特殊沖擊載荷的基座結構，通過測量其結構動應變，利用材料應變－應力關系曲線得出了沖擊載荷的時間歷程曲線，最后用有限元法對該沖擊載荷測量曲線進行驗證。結果表明，當結構應變率小于3 mm／mm／s時，可采用靜態(tài)材料應變－應力關系曲線對結構沖擊載荷進行測量計算，從而為此類結構外載荷測量方法提供參考。關鍵詞：艦船；沖擊載荷；測量方法；應變率

1 引言

在艦船結構的設計中，對于承受特殊載荷的局部結構，需要確定作用在結構上的外載荷大小，才能夠對結構強度進行校核，以驗證該結構設計的可靠性。船體結構的外載荷測量一般可采用直接測量的方法，即在結構受力點或者受力區(qū)域布置壓力傳感器，直接獲得外力載荷的作用曲線。但在某些場合由于受到客觀條件的限制（比如測點布置位置空間狹小），布置壓力傳感器并不可行，這時必須尋求其他的測量手段來獲得作用在結構上的外載荷。

本文針對實際艦船中某承受沖擊載荷的專用基座結構，分析基座的結構受力特點，通過測量其在外載荷作用下的結構應變ε，然后利用材料的力學性能獲得作用在基座結構某一截面內的正應力σ，繼而求得作用在截面上外載荷的大小。最后利用有限元法建立該基座結構有限元模型，施加求得的外載荷曲線，并將有限元計算結果與實船測量結果進行對比，以驗證該測量方法的可行性。同時分析了螺栓連接在有限元法中的處理方法，供相關設計人員參考。

2 實船測量

2.1 測量原理及測量模型

目前，在沖擊載荷測量方面，最簡單的方法就是通過測量沖擊物體的質量和加速度來確定沖擊力，但這種方法忽略了物體的變形，因此僅適用于沖擊物體可被視為剛體的情況。另一種方法是在相互碰撞的物體間加入一個力傳感器，這就要求力傳感器足夠小且柔軟而不至于影響物體之間的相互接觸。在一些特殊情況下，沖擊力也可以采用非直接測量法測得。例如，當一細長彈性桿撞擊物體時，可由附于長桿上的應變片的測量值采用一維應力波理論來確定其沖擊力，SHPB實驗技術是應用非直接測量法最成功的范例之一［1］。但實際沖擊載荷測量中，由于實際條件及諸多因素的限制，上述方法往往難以采用。為了克服以上困難，近年來力學工作者提出了各種改進方法，其中反分析法 （即通過測量距沖擊點一定距離處某些部位的響應，如位移、速度、加速度或應變等，來確定沖擊點處的沖擊載荷）得到了較為廣泛的應用［2－5］。

在材料力學中，對于靜載荷和動載荷的定義，一般也是由載荷對結構作用時的應變速率ε來區(qū)分的。應變速率對材料力學性能的影響試驗結果指出，在應變速率超過以后，材料的力學性能明顯受到應變速率的影響，因此，使構件的應變速率不超過3 mm／mm／s的載荷稱為“靜載荷”［6］。這為反分析方法間接測量結構沖擊載荷提供了一種思路，即通過測量結構應變，計算出應變率后，與3 mm／mm／s進行比較，然后確定是否可采用靜載荷下材料應力－應變曲線進行沖擊載荷的反算。

本次實驗中沖擊載荷的測試方法，試驗前考慮了三種方案：

1）直接測量接觸點處的壓力值。因為此處為沖擊載荷最直接作用點，因此測得的沖擊力最準確；

2）測試A基座橫截面上的垂向應力分布。因為A基座為鑄件，具有很好的剛性，其腹板也基本處于單向拉壓應力狀態(tài)，而且操作更方便，因此可以根據發(fā)射底座橫截面上的垂向應力分布來推算沖擊載荷；

3）根據B基座及附近結構上測得的動應力響應，采用有限元分析方法，對沖擊載荷的作用力大小進行反算分析。

方法1）有極大的局限性，因為在實船上該接觸點附近空間極小，無法滿足壓力傳感器布置空間需求；方法2）雖然準確性次于方法1），但方法可行，便于布置應變片；方法3）準確性可能更差，而且實現起來也比較困難。綜合以上原因，采用方法2）進行沖擊載荷的間接測試。

在本次試驗中，首先通過測量基座結構應變速率來確定沖擊載荷的屬性，然后由相應的材料應變－應力關系曲線求出測量截面的正應力，最后得到沖擊載荷的大小，沖擊載荷測量系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 沖擊載荷測量系統(tǒng)框圖

測量模型（基座A）為高約1 m的錐形箱式鑄鋼，通過螺栓水平固定在船體基座B上，沖擊載荷通過基座A頂板中點垂直作用在基座A上 （圖2）。船體基座B位于船體結構強構件上，而且其底部結構還進行了局部加強以提高結構強度。

2.2 測量方法

利用電阻式應變片分析結構的應力狀態(tài)時，應變片的布置是其關鍵。而決定布片方案時，要考慮測點的應力狀態(tài)、構件的受力情況和溫度補償的原則。單向應力狀態(tài)只需貼1個工作片，主方向已知的雙向應力狀態(tài)測點需貼2個工作片，而主方向未知時，則需在一點貼3個工作片或采用應變花［7－8］。基座A承受垂向沖擊載荷，結構應力狀態(tài)為單向應力狀態(tài)，因此，只需在測點處布置1個工作片，測點布置圖見圖3所示。

圖3 測點布置圖

結構應變測量系統(tǒng)框圖見圖4。

圖4 結構應變測量系統(tǒng)

測量前，對測試儀器儀表進行標定，并在測點位置進行打磨、貼應變片、連接測量系統(tǒng)（包括溫度補償部分）、調試等準備工作。

2.3 測量結果

測點1～4測量結果見圖5～圖8；圖9為測點1的時間－應變率圖，其最大值ε˙≈0.7＜3，因此，沖擊載荷可按靜載荷處理。

圖5 測點1時間－應變曲線

圖6 測點2時間－應變曲線

圖7 測點3時間－應變曲線

圖8 測點4時間－應變曲線

圖9 測點1應變率－時間曲線

對圖5～圖8的測量結果，在相對時間0.65 s和0.84 s取其平均值，再根據基座截面承載面積和材料力學理論得出沖擊載荷曲線，如圖10。其中曲線按線段進行簡化處理，不影響主要數據載荷峰值的準確性。

3 有限元法驗證

專用基座A通過螺栓固定在船體基座B上。在基座A上布置的應變測點距離基座底板有相當距離，在不關心螺栓處的應力狀態(tài)時，可將基座A與基座B作為一個整體來建模，基座B與船體結構相連處按剛固邊界條件處理［9－10］。實船基座B以下結構進行了特殊加強，可看作剛性支撐，因此以上邊界條件的處理是合理的。

將圖10所示的沖擊載荷時間曲線施加在基座A頂部面板的中點處，對整個模型進行有限元分析。測點2、測點4應變－時間曲線有限元分析結果見圖11所示，有限元模型及應力云圖見圖12所示。基座B在受到沖擊載荷時其結構受力相對于基座A極小，因此在有限元計算時，將基座B與船體相連處取為剛性固定是可行的。

圖10 沖擊載荷曲線

圖11 測點2、4應變－時間圖

圖12 有限元計算模型及應力圖

4 結果及結論

實船試驗的應變－時間曲線與有限元計算的應變－時間曲線吻合，有限元計算結果和模型實驗結果值相對誤差控制在5%以內，誤差較小，計算結果見表1。

表1 有限元計算結果和模型實驗結果比較

經實船試驗和有限元計算表明：

1）沖擊載荷作用時間很短，總共只有不到0.4 s的時間，其中對結構向下沖擊載荷時間約0.3 s，最大沖擊載荷約18.3 t；對結構向上的載荷時間約0.1 s，最大載荷約8.3 t。實船測量結果與有限元模型計算結果較為吻合。

2）在艦船結構設計中，當需要對承受特殊載荷的結構部位進行外載荷測量，在受到種種客觀條件限制而不能直接對外載荷進行測量時，可通過間接測量結構的動應變響應，計算出應變率，然后判斷能否用靜載荷下材料的應力－應變曲線來推算沖擊載荷的大小，該測量方法設備簡單，方法有效，適用于結構應變率小于3 mm／mm／s的外載荷的測量。

［1］KOLSKY H.An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading［J］.Processings of the Physical Society B，1949（11）：676－700.

［2］INOUE H，HARRIGAN J J，REID S R.Review of inverse analysis for indirect measurement of impact of force［J］.Applied Mechanics Review，2001，54（6）：503－524.

［3］盧靜涵.反分析法在結構沖擊動力響應實驗中的應用［J］.爆炸與沖擊，2004，24（2）：23－25.

［4］李田澤.通過反向分析法計算沖擊載荷［J］.傳感器世界，2002，12（5）：9－12.

［5］林耀海.碰撞過程的瞬態(tài)數字測量［J］.大學物理，1999，18（5）：20－22.

［6］孫順方，方孝淑.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1990.

［7］馬力.應力狀態(tài)與測點的貼片方位設計［J］.北華大學學報，2002，5（3）：14－17.

［8］栗震霄.應變片的貼片方位偏差對測量結果的影響［J］.計量技術，1994，9（3）：23－25.

［9］謝慧敏，馬岳峰，韓建保.螺栓連接件的有限元仿真計算［J］.現代制造工程，2002，6（1）：46－49.

［10］杜宏奎.螺栓聯(lián)接結構的有限元模擬計算［J］.壓縮機技術，2004，184（2）：11－13.

Method for Measuring Vertical Impulsive Load on Ship Structure

Tu San2Mo Li－xin1Zhou Xin－tao2
1 Military Representative Office in the 426 Shipyard，Dalian 116011，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Some loads acting on structure of ship are not easy to gain by pressure sensor in some condition，such as a narrow space.These loads are important to the design of ship，thus how to get the curves of the loads is becoming more critical.To measure the dynamic strain of the special structure，which received impulsive load is presented.Using the strain－stress curve of material，it can get the impulsive load curve.At last Finite Element Method（FEM）is used to validate the result of the measurement.It is found that using the static strain－stress curve of material to caculate the load is correct when the rate of strain is less than 3mm／mm／s.The work can offer reference for the measurement application.

ship；impulsive load；measuring method；rate of strain

U661.43

A

1673－3185（2009）04－38－04

2008-12-19

莫立新（1965－），男，高級工程師。研究方向：船舶總體

涂 三（1978－），男，工程師，碩士。研究方向：艦船結構設計。E-mail：tu3_hust＠163.com