舰船封闭式桅杆试验方法研究

姚熊亮 曾令玉 杨文山 张阿漫

哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

舰船封闭式桅杆试验方法研究

姚熊亮 曾令玉 杨文山 张阿漫

哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

封闭式桅杆因其良好的隐身性能在舰船上广泛应用。针对封闭式桅杆的结构设计，提出以典型结构部件试验、全结构缩比模型试验和实船跟踪测试试验为内容的多层次系列试验方法。对基于吸盘弹簧秤加载系统的风力作用下桅杆强度试验方法及用于测试摇摆作用下桅杆强度的倒置模型法等多种新的试验方法进行详细论述。结果表明，提出的试验方法准确性高、经济性好、可操作性强，可成功地对封闭式桅杆刚度、强度、振动等力学性能进行全面评估。

结构强度；缩比模型试验；部件试验

1 引言

在水面舰艇的最新发展趋势中，各海军大国普遍重视舰艇隐身技术的研究和运用。桅杆位于上层建筑的最高处，极易被发现，为达到隐身的目的，在现代舰船设计中，封闭式桅杆因其雷达散射截面积小、隐身效果好、结构强度高的优点而被广泛采用［1－2］。 封闭式桅杆为薄壁筒形结构，且先进的封闭式综合集成桅杆顶部雷达罩采用复合材料夹层板制造，桅杆的其他部分采用钢材制造，两种材料采用螺栓连接。封闭式桅杆结构特别复杂，加之复合材料夹层板及螺栓连接处力学性能的复杂性，使得仅使用数值和理论方法对其进行结构设计是不可靠的。因此，采用试验方法对封闭式桅杆外载荷、刚度、强度等力学性能进行研究有较大的工程实用意义。

对于封闭式桅杆的研究，以往主要采用数值和理论方法，在封闭式桅杆的试验研究方面，桅杆所受外载荷的测试主要采用风洞试验方法，舰船摇摆状态下桅杆的强度测试主要采用正置模型摇摆试验法。然而，风洞试验费用昂贵，且试验时由于模型的尺度等问题使试验雷诺数和实际雷诺数差别较大；传统的舰船摇摆强度测量试验存在试验费用高、安全性差、周期难以控制等缺点；桅杆在风载下的强度试验由于桅杆在风中运动时受力的复杂性、加载的困难性等原因致使试验开展困难，其相关试验的文献甚少。此外，以往的桅杆试验均为钢质材料，对于复合材料——钢混合式结构的封闭式桅杆，需考察其特殊结构件，如复合材料夹层板和连接处等力学性能。因此，舰船封闭式桅杆试验涉及的范围非常广泛，而我国还没有形成评估封闭式桅杆力学特性的系统试验方法。本文根据封闭式桅杆的结构特点，提出了封闭式桅杆多层次系列试验方法，以全面评估封闭式桅杆的力学性能，旨在为封闭式桅杆的试验方法设计提供参考。

2 试验方法概述

封闭式桅杆结构设计包括外载荷、强度、刚度、振动特性等内容，在研制阶段若直接采用全尺度试验，则其经济代价和试验周期是不可接受的。因此，建议封闭式桅杆的研制试验采用积木式试验方法，即采用典型结构部件试验、全结构缩比模型试验和实船跟踪测试试验的多层次试验方法进行结构设计筛选和评估。积木式试验方法试验件尺寸逐级增大、数量逐级减少、试验内容逐级扩大，恰似积木叠加，故称为“积木式”试验方法［3－4］。其中典型结构部件试验主要确定特殊结构件，如复合材料夹层板、螺栓连接接头等的力学性能。全结构缩比模型试验主要是验证封闭式桅杆的外载荷、刚度、强度、振动特性是否满足要求，其目的是为结构设计减少风险、节约费用和时间；实船跟踪测试试验主要是对桅杆的各项特性进行反馈，对结构设计的计算方法和试验方法进行修正和改进，以期积累结构设计实践经验，形成数据库，进而简化研制过程。

3 典型结构部件试验

封闭式桅杆顶部雷达罩采用复合材料夹层板制造，复合材料夹层板通过层合板过渡结构和钢采用螺栓连接，因此，复合材料夹层板及过渡结构、螺栓连接结构为封闭式桅杆的典型结构，其强度和疲劳性能试验是桅杆典型结构部件试验的主要内容。

3.1 复合材料夹层板及连接结构强度试验

设计本试验在于确定桅杆复合材料夹层板及连接结构的破坏形式，同时检验复合材料夹层板和钢质法兰连接部位的强度和刚度是否满足设计要求。

典型结构部件强度试验首先要设计试验件，试验件设计的原则为：试验件复合材料夹层板、过渡结构、连接结构形式和尺寸均与实际结构相同。试验件的宽度至少包括两个螺栓间距。确定试验件后，可分别开展单跨和悬臂两种边界条件的强度试验。封闭式桅杆实际受风时的力学特征和单跨试验相似，其加载的最大载荷为封闭式桅杆遭遇的最大风压与试验件的面积之积。夹层板的受力为均布载荷，试验中可采取施加沙袋的方法逐级加载，加载后分别用应变片和位移计测量试件应力和挠度响应。悬臂破坏试验中不断逐级加载沙袋，直到试件破坏，观察试件的破坏形式，以根据破坏形式对局部结构进行加强设计。图1显示了复合材料夹层板及连接结构强度试验示意图和试验场景。

图1 复合材料夹层板及连接结构强度试验

3.2 复合材料层合板螺栓连接结构疲劳试验

复合材料层合板和钢结构采用螺栓连接，其连接部位是高应力区，在重复载荷作用下极易发生疲劳破坏。因此，通过典型试验件疲劳试验，检验封闭式桅杆螺栓连接处的疲劳性能。

典型试验件疲劳试验同样需要设计试验件，封闭式桅杆复合材料层合板螺栓连接处的主要受力为螺栓受到的剪力作用和螺栓受剪力时对层合板孔壁的挤压作用。因此，封闭式桅杆连接处的疲劳问题可简化为带孔复合材料层合板螺栓连接结构承受较大剪力作用时的疲劳问题，由此可确定疲劳试验件为带孔复合材料层合板。为使试验件最大限度地和实际连接件相同，试验件的材料、厚度、开孔大小、端距、边距及螺栓型号、预紧力，均应和封闭式桅杆实际连接结构相同。封闭式桅杆连接处为单剪连接，其特点是螺栓较大的预紧力直接作用在层合板上，因此可设计试验的夹持方式如图 2（a）所示。

疲劳载荷的确定是疲劳试验的重要内容，封闭式桅杆的疲劳载荷主要来源于每次受风时类似加载到卸载的循环过程、受风时雷达罩周围的空气脉动（脉动风压）、主机和螺旋桨运转传到雷达罩的振动等，其中雷达罩每次受风时类似加载卸载过程引起的循环载荷幅值较大，是连接件疲劳的主要原因。根据疲劳理论，结构寿命随循环载荷幅值的增加而减小，因此可将最恶劣载况下的载荷作为疲劳试验的设计载荷，其中最恶劣载况为桅杆最大风压与单个螺栓对应的复合材料夹层板面积之积。根据疲劳试验的经验，试验载荷的其他参数可取为：循环方式为拉拉循环，应力比为0.1，波形为正弦波，频率为10 Hz，循环次数10万次。复合材料没有明显的疲劳极限，因此可规定当孔相对永久变形值为6%孔径时，螺栓连接接头发生疲劳破坏［5］。 图 2（b）显示了疲劳试验时的场景。

图2 复合材料层合板螺栓连接结构疲劳试验

4 全结构缩比模型试验

船舶在风浪中航行时，作用在桅杆上的载荷主要有：桅杆结构及其设备的重力、船舶摇摆时所引起的惯性力、桅杆所受风力［6］。全结构缩比模型试验中，将对桅杆在各种载荷下的刚度和强度进行评估，并通过模态试验验证结构的振动特性是否满足规范要求。

4.1 桅杆风载荷测试试验

通过风载荷测试试验确定桅杆的风力载荷，进而将此载荷施加到结构上评估桅杆结构在风力作用下的强度。

按照相似理论和流体力学原理，水池拖曳试验时，水中流场若和实际桅杆周围的空气流场相似，压力等表征流场特性的参数就满足一定的转换关系，换言之，桅杆结构在风中的响应特性就可由水中试验的结果相似转换得到。由相似第二定律可知：

式（1）表明，风压系数 CD与 Re、Fr、St、Eu 数相关，当两流场的所有相似准数均相等时，该流场的压力就完全相似，但具体试验中可针对所研究问题，保证其中部分相似准数相等。本试验中测定桅杆的风载荷，这主要与流体的粘性相关，故要保证Re数相等。理论分析与物理试验表明，当试验雷诺数达到一定值后，模型的风压系数趋于稳定［7－8］，这一雷诺数称之为“临界”雷诺数。临界雷诺数可通过试验测得，因此试验中可实现雷诺数相似。

根据试验原理所述，对桅杆开展水池拖曳试验以测定桅杆的风力载荷。桅杆拖曳试验的具体方法为：将桅杆模型固定在拖车上，使模型倒立没入水中，用拖车拖动试验模型，使用压力传感器测量桅杆的响应。为了使试验流场与实际流场相似，在桅杆底部装上模拟甲板稳定流场。水池拖曳试验示意图和试验场景如图3所示。

图3 桅杆风载荷测试试验

图4显示了水池拖曳试验测定的平均压力系数和数值计算的桅杆受风时的平均压力系数的对比曲线。从图中可知，二者误差较小，因此，用水池拖曳试验方法模拟桅杆在风中的受力具有较高的精度。

图4 平均压力系数试验值与计算值对比曲线

4.2 桅杆风载荷强度试验

本项试验的目的是考察桅杆复合材料夹层板、螺栓连接结构、桅杆钢质板架等结构在风力作用下的强度和刚度，及检验结构设计的合理性，并通过试验结果与数值计算结果的比较，验证数值计算方法的正确性，从而为封闭式桅杆的结构设计提供参考。下面对试验的方法作重点阐述。

桅杆在风中运动时同时受到压力和拉力作用，由于桅杆受力时为线性系统，因此，桅杆在压力作用下的响应与在相同拉力作用下的响应值正好相反，即可把桅杆的压力作用转化为拉力作用进行加载。桅杆受到的风压为面载荷，复杂结构的面载荷加载一直是试验的难点，工程界一直没有找到对桅杆施加面压以模拟桅杆所受风力的方法。本文根据桅杆的载荷特点，设计了吸盘弹簧秤加载系统以模拟桅杆所受风力，其示意图和试验场景如图5所示。桅杆面载荷的具体施加方法为：将吸盘吸附在桅杆表面，吸盘的另一端与弹簧秤相连，弹簧秤通过紧绳器连接到辅助支架上，将绳固定在辅助支架后，拧动紧绳器拉动吸盘，拉力大小由弹簧秤读出，此加载系统利用吸盘的吸力特性提供桅杆的面拉力。

试验中若在桅杆的所有侧面上同时加载，则需要大量的加载设备和辅助支架，同时，在所有面上加载需要的操作时间较长，由于测量系统的不稳定性，会造成试验结果的巨大误差。为克服以上弊端，试验中可采用单面依次加载测量的方法，其具体方法为：对桅杆的每个面依次加载，测量试验数据，将各面加载后的试验值线性叠加，从而得到在完全载荷作用下的试验值。单面依次加载的理论基础为线性叠加原理，桅杆结构在设计载荷下为线性系统，线性系统的基本特性为：输出对于输入满足线性叠加原理，即系统对所有输入的总响应等于系统对各个输入响应的和。因此，各面分别加载测得的响应之和即为所有面同时加载的响应。采用吸盘弹簧秤加载系统测得的响应和数值计算的桅杆响应的对比曲如图6所示。从图中可知，二者误差较小，因此，采用吸盘弹簧秤加载系统开展桅杆风载荷强度试验具有较高的精度。

图5 桅杆风载荷强度试验

图6 桅杆应力试验值与计算值对比曲线

4.3 桅杆惯性力载荷强度试验

在数值计算时，惯性力是以经验公式计算的加速度形式施加的，和实际情况有较大差异，因此，通过惯性力载荷强度试验验证桅杆结构在惯性力作用下的强度，并通过试验值与计算值的对比验证数值计算方法的可靠性。

舰船摇摆时桅杆的摆动为正置摇摆状态，正置摇摆时桅杆受重力和摇摆惯性力的作用，受力示意图如图7（a）所示，其中G表示重力，Y表示摇摆惯性力，F表示所受的合力。若将桅杆倒置摇摆，且摇摆相位角与图7（a）相同时，则受力分析如图 7（b）所示。 比较图 7（a）和图 7（b）发现，两种情况下桅杆所受重力相对桅杆的作用方向相反，而惯性力相对桅杆的作用方向相同。桅杆倒置摇摆时，如果再给桅杆施加一个大小为2G，方向与G相反的力，则桅杆的受力状态与正置摇摆时相同。因此，若将桅杆倒置摇摆时的响应表示为A，桅杆倒置摇摆时重力引起的响应表示为B，桅杆正置摇摆时的响应表示为C，基于以上分析可以得到：C＝A－2B，即桅杆正置摇摆时的响应C可通过测量A和B求得。

图7 桅杆摇摆受力示意图

根据以上原理，本文设计了倒置模型法对舰船摇摆作用下的桅杆强度进行测量。桅杆倒置后形成的摇摆系统如图8（a）所示，从图中可知，此时桅杆摇摆系统近似单摆系统，其摇摆周期为：

式中，T为摇摆周期；l为系统重心到旋转轴的距离。

本试验通过给系统增减配重的方法改变l的大小，进而实现对系统的摇摆周期T的控制，以满足多种试验工况的要求。试验时，响应A由倒置桅杆摇摆状态下测量得到，响应B由倒置桅杆静止于相应角度状态下测量得到，其试验场景如图8（b）所示。采用倒置模型法测得的桅杆响应和数值计算的桅杆响应的对比曲如图9所示，从图中可知，二者误差较小，因此，采用倒置模型法开展桅杆在摇摆作用下的强度试验可减少辅助设备，提高试验的可操作性和安全性，且结果具有较高的精度，将倒置模型法用于封闭式桅杆的强度试验是可行的。

图8 桅杆惯性力载荷强度试验

图9 桅杆应力试验值与计算值对比曲线

4.4 桅杆振动特性试验

通过桅杆振动特性试验考察桅杆结构振动特性，检验其固有频率与船舶主辅机及螺旋桨激振频率的频率错开率。

可采用传统的锤击法开展桅杆振动特性试验，其试验原理为：在桅杆模型上固定加速度传感器，当用力锤锤击模型时，激起桅杆的自由振动，模型上的加速度传感器可采集到桅杆的加速度时历响应信号，对时历信号进行傅立叶变换，便可求得桅杆的固有频率。试验测量桅杆的总体模态时，将加速度传感器放置在桅杆钢质部分顶部；测量复合材料雷达罩总体模态时，将传感器放置在雷达罩顶部；测量雷达罩外板局部模态时，将传感器放置在雷达罩外板中部。

5 实船跟踪测试试验

为保证封闭式桅杆的强度，需在舰船服役期间对其力学性能实时监控，以实现结构预警、验证并修正数值计算方法，进而简化研制过程。由于应变片精度易受环境等因素影响，实船跟踪测试试验需采用光纤传感器测试。我国目前还没有开展实船跟踪测试试验，其光纤光栅传感器的布设方式、布线方案及传感器与舰船结构的适配性等问题需进一步研究。

6 结束语

本文设计并提出了封闭式桅杆结构设计筛选和评估的多层次系列试验方法，具体包括典型结构部件试验、全结构缩比模型试验和实船跟踪测试试验等内容。文中详细阐述了典型试验件试验试件设计、载荷确定、加载方法等问题。在结构缩比模型试验中，提出了水池拖曳试验模拟桅杆所受风力以测试桅杆载荷；设计了吸盘弹簧秤加载系统以测试桅杆在风力作用下的强度；设计并提出了倒置模型法以测试桅杆摇摆作用下的强度。实际试验表明，本文所提出的系统试验方法精度较高，且有经济性好、操作简单、安全性高等优点，可全面评估封闭式桅杆刚度、强度、振动特性等力学性能。建议将该试验方法应用于封闭式桅杆的结构设计。

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Experimental Method s for Enclosed Mast on Ship s

Yao Xiong－liang Zeng Ling－yu YangWen－shan Zhang A－man
College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China

Enclosed ma st is widely used on ships due to its excellent stealth capability.Towards the structure design of the enclosed mast， amulti－level test scheme is proposed， including tests of typical structure members， proportionalmodel of full structures and real－time tracking on board.Several new experimentalmeans are discussed in details，such asmast strength tests due to wind loads by sucking disks and springs and due to swinging motion by an inverted－model.The results indicate that the proposed testmethod can successfully evaluatemechanical properties in an all-round way such as stiffness，strength and vibration of the enclosed mast with high accuracy， cost efficiency and operability.

structure strength； scaled model experiment； structuremember experiment

U661.73

A

1673－3185（2010）01－28－06

2009－06－25

船舶工业国防科技预研基金（07J1.1.6）

姚熊亮（1963－），男，教授，博士生导师。研究方向：船舶结构动力学。

曾令玉（1986－），男，硕士研究生。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。E-mail：zly817hh＠163.com