艦船搖擺載荷下某貯存裝置強度仿真與應力測試

李亞輝，戴宗妙，高治華

(中國船舶集團有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著艦船越來越長時間戰備值班于重要海域，艦載設備經受海上復雜氣象條件作用的時間也越來越長，艦船航行過程中的搖擺姿態是一個多自由度外加振動的動態運動體系，所有艦載設備均受到這一動態運動體系的影響，尤其是艦載設備的實際應用受到艦船搖擺姿態的影響極大，艦載設備在極端海況下承受的載荷是其結構強度設計的重要依據。

目前艦載設備在研制時主要采用強度仿真分析或在艦船模擬搖擺臺上進行實驗測試的手段，驗證艦載設備的結構強度是否滿足艦船搖擺工況的需求，但對于結構尺寸較大的艦載設備，難以找到合適的艦船模擬搖擺臺進行實驗，其強度仿真分析的準確性顯得尤為重要。

本文以某型貯存裝置為列，通過艦船模擬搖擺臺搖擺實驗應力測試和仿真分析計算2 種手段對貯存裝置的結構強度進行驗證，對2 種手段的結果進行對比分析，檢驗仿真分析計算結果的準確性，為大型艦載設備搖擺載荷下的結構設計提供依據。

1 艦船海況模擬平臺搖擺實驗

艦船海況模擬平臺是模擬實現艦載設備承受艦船搖擺環境后的結構動力學響應的理想設備，它能夠接近真實地再現艦船在不同海況下的搖擺情況，使艦載設備研制在陸基環境下接受艦載環境考核，對提升艦載設備的研制質量具有重要意義。

選取橫搖22°周期14 s，縱搖5°周期7 s 的搖擺工況在艦船海況模擬平臺上對某型貯存裝置進行搖擺實驗。

2 應力測試

搖擺工況下，貯存裝置立柱主體和肋板結合處受到的局部應力較大，導軌存放區中心部位也受到較大應力，在圖1 所示應力較大部位粘貼三向應變片進行應力測試（測點標記-分別對應圖中測點-）。采用DH5925 動態信號測試分析系統進行應力測試。

圖1 應力應變測點Fig.1 Stress and strain measuring point

搖擺實驗時，對貯存裝置進行應力測試，截取1 200～1 500 s 穩定搖擺狀態下的應力測試曲線見圖2～圖4。由測試曲線可知，，，，和測試點的最大應力分別為5.07 MPa，5.89 MPa，2.28 MPa，3.1 MPa 和3.88 MPa。

圖2 S7、S8 點應力測試曲線Fig.2 S7,S8 point stress test curve

3 仿真分析計算

3.1 搖擺載荷系數計算

“載荷系數是艦船結構或設備由于重力加速度和艦船運動加速度使其在縱向、橫向和垂向上受到的載荷和重力的比值”，橫搖是船體繞縱軸所做的周期性角位移運動，縱搖是船體繞橫軸所做的周期性角位移運動。假定艦船橫搖、縱搖同時達到最大值時艦載設備承受艦船搖擺的過載系數見下式：

圖3 S9、S10 點應力測試曲線Fig.3 S9,S10 point stress test curve

圖4 S11 點應力測試曲線Fig.4 S11 point stress test curve

根據搖擺實驗所用艦船模擬搖擺臺的實際參數，建立圖5 所示的艦船模擬搖擺臺搖心固定坐標系，被試貯存裝置的質心在模擬搖擺臺固定坐標系內的坐標為(，，)，以搖擺實驗時的橫搖22°周期14 s，縱搖5°周期7 s 的搖擺參數及貯存裝置在艦船模擬搖擺臺上的實際質心坐標值為輸入，通過式（1）計算載荷系數見表1。

圖5 艦船模擬搖擺臺坐標系與貯存裝置位置Fig.5 Ship simulation rocking table coordinate system and storage device location

表1 搖擺實驗載荷系數Tab.1 Load factor of rocking test

3.2 搖擺工況下的應力計算

建立貯存裝置有限元模型，按照貯存裝置在艦船海況模擬平臺上的固定情況施加邊界條件，按照搖擺實驗的承載狀態施加質量點，同時按照表1 的載荷系數對模型施加載荷，采用有限元軟件對貯存裝置結構進行有限元分析，貯存裝置應力測試點上的應力計算結果如圖6 所示，，，，和測試點的應力計算值分別為5.34 MPa，5.53 MPa，2.05 MPa，2.61 MPa和3.31 MPa。

圖6 S7、S8、S9、S10、S11 點應力仿真結果Fig.6 Stress simulation results of S7,S8,S9,S10,S11 points

4 分析與對比

貯存裝置搖擺實驗應力測試與仿真計算結果對比見表2。由結果對比情況可見，搖擺實驗應力測試值與仿真值基本相同，最大誤差值為15.8%，這是由于應變片張貼位置與仿真計算結果的選取點不能完全一致以及應力測試和仿真計算自身誤差造成的。

表2 搖擺實驗應力測試與仿真計算結果對比表Tab.2 Comparison table of stress test and simulation calculation results of rocking experiment

5 結 語

本文通過搖擺實驗應力測試與仿真2 種方法對搖擺載荷下艦船設備的結構強度進行分析，并對2 種方法的結果進行了對比，驗證了結構仿真分析的準確性，為艦載設備特別是不易進行搖擺實驗的大型艦載設備的結構設計，提供簡便快捷有效的設計方法，對裝備的研制具有重要意義。