新型艇架結構強度測試與評估

閻齊方，侯海量，張成亮

（1.91315部隊，遼寧大連116041；2.海軍工程大學艦船工程系，武漢430033）

新型艇架結構強度測試與評估

閻齊方1，侯海量2，張成亮2

（1.91315部隊，遼寧大連116041；2.海軍工程大學艦船工程系，武漢430033）

為了評估一種新型保障小艇艇架結構強度性能，針對一般的情況進行分析，提出了評估艇架結構強度性能的思路和步驟，利用強度理論探討了結構測點的位置、危險情況和振動特性，并結合小艇艇架測量結果做出了分析。結果表明：艇架結構在工作過程中，結構強度最危險的情況發生在急剎車階段，最危險的位置發生在結構的拐角邊緣處，不同位置結構發生的危險時刻不同；結構在平衡位置附近做低頻小阻尼自由振動，振動頻率低于4 Hz，阻尼比約為0.03，阻尼對結構振動周期和圓頻率影響可以忽略。研究結果對于新型艇架結構的強度測試和評估的方法能有效地校核艇架的強度性能，具有較大的實用價值。

結構力學；艇架；強度；測試；評估

小艇艇架吊放裝置作為新型小艇的保障裝置，其主要目的是保障新型小艇的吊放和回收，對于機動性強的新型小艇能否有效地投入戰斗發揮著重要的作用，因此開展結構強度性能測試和評估有重大的意義。對于新型結構的強度研究一直是各方關注的焦點。趙勝濤等［1］根據自升式平臺的特性，論述了結構技術狀況評估和結構計算的內容；趙黨等［2］對各種典型的浮吊船載荷工況進行了船體結構強度評估，提出了結構優化設計的合理化建議；胡嘉駿［3］基于實船試驗結果，提出了極值預報兩種船體的評估方法。

現階段，由于各新型材料及結構的不斷出現，需要掌握其自身結構的危險情況，了解其振動特性，為進一步的結構設計和評估做準備。本研究基于此提出了評估艇架結構強度性能的思路和步驟，利用通用理論探討了結構測點的位置、危險情況和振動特性，并結合實際的測量工作對新型艇架結構進行了具體分析。

1 試驗方案設計

1.1 測點及貼片布置

試驗用小艇艇架為對稱桁架結構，考慮應力集中因素的影響，測點位置確定為桁架連接處以及結構拐角和邊緣位置（見圖1）。電阻應變計采用應變極限為2%的普通應變片，應變片用502膠水粘貼于各測點位置處，應變片應粘貼良好，確保構件表面的應變能正確、可靠的傳遞到敏感柵，測量數據準確。

圖1 測點布置示意圖

1.2 試驗工況

工況1：小艇1.1倍裝載，并在空中完成兩次放艇和收艇，每次放艇過程中進行一次急停（即剎車）操作；

工況2：小艇滿載，放艇入水，然后將小艇脫水收回。

1.3 數據測量

測點采用1/4橋接線法，為了平衡長導線的電阻的影響，盡量控制導線長度，使用三芯導線補償長導線電阻影響。

1.4 試驗實施

根據試驗工況要求，實驗在南海某海域四級海況下進行，三一浪高為1.5～2 m，某大型水面艦艇提供實驗平臺。根據實際情況，小艇在收放過程中急停是最危險的工況，測試過程分兩步開展：首先測試小艇1.1倍裝載，并在空中完成兩次放艇和收艇，每次放艇過程中進行一次急停（即剎車）操作，測試艇架在這一過程中的動應變；然后測試艇架在小艇滿載工況下，入水、脫水時的動應變。

2 測量結果及分析

2.1 實驗過程分析

小艇艇架應變受小艇裝載及吊放過程影響，小艇按1.1倍裝載進行測量實驗，以6號測點為例如圖2、圖3所示，按階段分析小艇艇架應變過程（見表1）及影響因素。①小艇起吊階段：小艇起吊開始時，艇架突然加載，但由于小艇未離開基座，艇架應變在一個較小的值，并保持一段時間直到小艇與基座完全分離；小艇與基座分離后，艇架承載瞬間增加，應變隨之增加，運動結束后艇架應變在均值附近呈正弦波周期振動。②小艇平移、外放階段如圖2：小艇起吊到最高點之后，緩慢向船舷外側水平移動，此時艇高度不發生變化，靠艇架的機械運動將小艇移送到舷側水面以上指定位置。在此階段，小艇起吊階段結束時刻，艇架應變達到該階段的峰值，之后艇架應變在均值附近呈正弦波周期振動。③小艇上下起落階段：小艇上下起落兩次，每次往下放艇過程中有一次急剎車，放艇到接近水面位置后直接一次收艇到最高點。在此階段，艇架應變在小艇剎車和到達最低點處出現峰值，應變同樣在其均值附近呈周期振動。④小艇回收階段：此階段回收小艇，其過程和“小艇上下起落階段、小艇起吊階段”過程相反，艇架應變出現相應峰值、周期和振幅。

圖2 艇架6號測點應變時程曲線（1 mv=1 με）

圖3 小艇平移外放階段艇架6號測點放大圖

2.2 艇架應變及應力分析

1）艇架應變分析

小艇在停放在艇架基座上時，鋼絲繩處于緊繃狀態，艇架結構在初始時刻存在一定的應變即預應變，由各測點應變時程曲線可知1、2測點表現尤其明顯，所以1、2測點應變零線取小艇落水后的應變值作為參考零點；3～18號測點預應變表現不明顯，同時在整個起吊過程中受到艇架自身重力的影響較大，其零線參考值取初始時刻應變值作為參考零點。表2給出了小艇收放過程中艇架1、2號測點各階段的應變均值和峰值。表3給出了小艇收放過程中艇架3～18號測點各階段的應變均值和峰值。

表1 艇架測試階段劃分時刻

表2 小艇吊放過程中艇架1、2號測點應變值

表3 小艇吊放過程中艇架3-18號測點應變值

由表2、表3和應變時程曲線可知：①小艇吊放過程和回收過程中，6、7號測點應變值相對較大。應變最大的測點發生在7號測點（主架前壁根部位置，見圖1），最大壓應變1 028 με，壓應變最大均值658 με。6號測點（主架前壁根部位置，見圖1），最大拉應變725 με，拉應變最大均值396 με。②小艇吊放過程和回收過程中，相同測點出現最大應變值的時間不同。1、2測點（伸縮臂拐角側面板邊板）應變最大值發生在小艇起吊階段，小艇剛與基座分離時刻；3～8號測點應變最大值均發生在小艇上下起落階段，小艇急剎車或者到達最低（高）點時刻；9～16號測點最大值相對較小，均小于200 με，最大值發生在小艇吊起和往外緩慢平移階段；17～18號測點在吊放的整個過程中應變均在100～300 με之間。③小艇吊放過程和回收過程中，不同測點出現應變較大值的階段主要集中在小艇起落階段，剎車或者到達最低（高）點時刻。6、7號測點在吊放的整個過程中，其應變值都較大，大于500 με。實驗中，小艇艇架同一測點應變隨小艇運動階段的不同而不同；小艇艇架不同位置測點應變值與測點位置關系密切，不同位置測點出現應變峰值的時間不同。

2）艇架應力分析

小艇艇架在小艇吊放和回收過程中按照單向應力狀態分析，計算公式為

常數取值E=200 GPa，計算中艇架應變取每階段平均應變（見表2、表3所示），分析計算結果如表4所示。

表4 小艇吊放過程中艇架測點應力值

由表4可知，艇架各測點在小艇吊放和回收過程中，平均應變最大值發生在7號測點處，該點最大應變為壓應變。根據艇架材料特性、材料屈服極限，安全系數，許用應力＞131.6 MPa，該艇架結構靜強度滿足要求。

2.3 艇架動態振動特性分析

由圖1、圖2可以看出，艇架應變階段性的在平衡位置上下振動，一段時間后趨于某一平衡值。艇架在一個運動過程到下一運動過程之間的振動可認為是有阻尼自由振動［4］，其特性如下：運動過程結束時刻開始，艇架應變驟增，到達最高點之后很快衰減，其在第一個周期內衰減最劇烈，之后在平衡位置附近波動，最后趨于平衡位置；與無阻尼狀態相比，有阻尼狀態自由振動周期隨振動時間增加，振動周期逐漸變大、振動頻率逐漸變小；相鄰的兩個振幅之比為常數。

根據有阻尼單自由度系統振動特性和測點時間歷程曲線可得系統的阻尼系數如表5所示。

表5 艇架測點振動特性

由表5可以看出，就振動頻率而言，艇架結構在運動過程中呈低頻振動，振動頻率在2～4之間，不同測試階段結構測點頻率有較明顯差異，其主要原因是各階段中結構的受力狀態變化，導致其相對剛度的變化所致；就阻尼比而言，艇架結構在振動過程中阻尼比ζ＜＜1，可認為系統振動為小阻尼振動，此時阻尼對頻率或周期的影響可以忽略。

3 結束語

由于工作環境和結構本身的復雜性，本研究僅針對一般的情況進行分析提出了評估艇架結構強度性能的思路和步驟，利用通用理論探討了結構測點的位置、危險情況和振動特性。對于影響結構本身的振動特性的因素有待進一步的具體分析和研究。

［1］趙勝濤，魏忠華，邱欣.自升式移動平臺結構安全評估研究［J］.中國修船，2011，24（1）:54-57.

［2］趙黨，夏麗娟，張星君.大型浮吊船體的結構設計和強度評估［J］.艦船科學技術，2009，31（11）:114-119.

［3］胡嘉駿，邵伏華.基于實船試驗的主船體結構安全性評估方法［J］.船舶力學，2011，15（11）:1278-1282.

［4］陳志堅.艦艇振動學［M］.北京:國防工業出版社，2010.

（責任編輯周江川）

Strength Test and Assessment of New Type Boat Hanger Bracket

YAN Qi-fang1，HOU Hai-liang2，ZHANG Cheng-liang2
（1.The No.91315thTroop of PLA，Dalian 116041，China；2.Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

In order to assess the strength performance of new type boat hanger bracket，thoughts and process were put forward according to test results.Structural test position，dangerous cases and vibrating feature of the hanger bracket were explored.Results show that the most dangerous case of hanger bracket during working process is in the emergent braking，and the most dangerous position happens in the place of corner and edge of structure and the danger of different position happens at different time.Structure vibrates with a function of the damped free vibration frequency near a balanced position with a vibrational frequency under 4 Hz and damping ratio about 0.03.Damping effect on structural vibration period and circular frequency can be ignored.Both theoretical analysis and experiments results prove that the article，which is about new type vessel frame structural intensity test and evaluation method of effective performance of checking the intensity of the vessel frame，has great practical value.

structure mechanics；boat hanger bracket；strength；test；assessment

閻齊方，侯海量，張成亮.新型艇架結構強度測試與評估［J］.四川兵工學報，2015（11）：19-22.

format：YAN Qi-fang，HOU Hai-liang，ZHANG Cheng-liang.Strength Test and Assessment of New Type Boat Hanger Bracket［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：19-22.

U663.1；TJ8

A

1006-0707（2015）11-0019-04

10.11809/scbgxb2015.11.006

2015-06-11

閻齊方（1978—），男，工程師，主要從事艦船結構強度研究；通訊作者：侯海量（1977—），男，博士，高級工程師，主要從事艦船結構強度，艦船結構毀傷與防護研究。