某型船用電子設備升降桿的抗風抗撓強度計算

王曉龍

摘? 要：本文對某型采用單桿支撐，豎立于船體上相應位置、殼體為圓臺型的電子設備升降桿的強度進行了設計計算。依據給定的抗風力等級要求，結合設備的工作狀況、外形特征，校核計算了該設備升降桿的抗風抗撓強度能力，并與實驗結果進行比較，以確定升降桿的設計是否滿足強度要求。

關鍵詞：電子設備;升降桿;抗風抗撓強度

1、引言

某型船用電子設備為了能更大范圍的接收和發射信號，一般將該設備置于船上相對較高位置。本文討論的電子設備采用托盤和單桿支撐方式豎立于船殼突出部位。由于海上風浪大，為了保證設備的安全運行。本文對某電子設備的升降桿裝置進行了抗風抗撓強度分析和計算，以初步判斷該設計能否保證設備正常工作要求。

2、設備組成及工況要求

2.1設備組成及外形尺寸：該成套設備主要由四個部分組成：圓臺型電子設備、托板、升降桿、基礎法蘭組成。其中電子設備及托板作為整體看待;升降桿材質采用304不銹鋼管，外徑Φ32壁厚3mm。如圖1所示。

2.2適應工況要求

設備在3級海況、6級風力情況下（參考風速10.8-13.8m/s），船舶全速航行時（參考航速30節，約合15.4m/s）設備正常工作、搖擺角度在±5°范圍內，且升降裝置不發生損壞。

3、抗風強度計算

船舶的運動方向有順風和逆風兩種情況，為了充分校核升降桿的強度同時簡化模型，本文按照最惡劣的工況考慮：一是設備和桿的迎風圓弧面均按照平面受力計算;二是設定船舶在逆風航行，取最大風力和最大航速的合速度進行分析計算。

3.1已知條件：

最大風速：

Vmax=V風速+V航速=13.8+15.4=29.2 m/s

P風壓=v2/16=（29.2）2/16=532.9 N/m2

升降桿材質：304不銹鋼管，其物理性能如下：

屈服強度：[σ]≥205MPa? Pa= N/m2

彈性模量：E=206GPa =206000MPa

電子設備及托板總重量：12kg升降桿重量：6.58kg

3.2迎風面積及重心高度：

S設備=0.3×（0.5+0.42）×0.5=0.138 m2

H設備=3.15m

S升降桿=3×0.032=0.096 m2

H升降桿=1.5m

3.3風壓對設備各部分的彎矩：

風壓對升降桿的彎矩最大作用點在基礎法蘭與升降桿根部相交處的圓環截面，隨著高度不同而變化。我們采用近似計算，取該設備及升降桿迎風面的幾何中心處的彎矩進行計算：

M設備= P風壓×S設備×H設備=532.9×0.138×3.15=231.65N·m

M升降桿= P風壓×S升降桿×H升降桿=532.9×0.096×1.5=76.74N·m

M總=（M設備+ M升降桿）=308.39N·m

3.4升降桿的抗彎截面系數：

Wz=π（D4-d4）/32D=[3.14×（0.0324-0.0264）]/32×0.032=1.81×10-6 m3

3.5升降桿根部理論彎矩允許值：

[M]= Wz[σ]=1.81×10-6×205×106=371.05 N·m

結論：[M]>M總

所以：升降桿的強度是安全的。

4、擾度計算

4.1升降桿的截面慣性距：

I=π（D4-d4）/64=[3.14×（0.0324-0.0264）]/64=2.9×10-8mm4

4.2最大撓度處的載荷：

該結構中升降桿的最大撓度點在桿頂端與托盤連接處位置，高度為3m。為最大限度考慮強度余量并方便計算，將升降桿重心處的彎矩M升降桿直接看作最大撓度處彎矩計算。

Q= M總/ H設備=308.39÷3=102.8 N

4.3風壓對設備產生的撓度：

Ymax= 1 QH3/3E I

=（102.8×30003）/（3×206×1015×2.9×10-8）

=154.87mm

4.4升降桿的理論撓度允許值：

按照已知工況，要求設備搖擺角度不大于5°，升降桿頂部最大撓度允許值：

[Ymax]=3000×tan5°=262.5mm

結論：[Ymax]>Ymax

所以：升降桿的撓度符合要求。

5、結束語

本文依據客戶提出的船舶在使用該設備時的航行海況，主要依據例行實驗的要求從材料力學的角度對升降桿的抗風和抗撓強度進行校核計算，忽略了風速的不均勻系數，空氣動力系數以及風向與設備之間的夾角等因素，以及為方便計算對模型簡化（均按最大受力進行計算等），校核了升降桿的抗風抗撓度，從計算結果可以看出實際危險處的截面應力及升降桿撓度均小于理論允許值，且尚有一定余量，滿足工況要求。故此升降桿的設計是安全可靠的，可以按此模型開展相應結構的細化設計。

參考文獻

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[2]王文斌等.機械設計手冊（新版第3版）機械工業出版社 2004.8

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