某型船用电子设备升降杆的抗风抗挠强度计算
2022-07-13王晓龙
王晓龙
摘 要：本文对某型采用单杆支撑，竖立于船体上相应位置、壳体为圆台型的电子设备升降杆的强度进行了设计计算。依据给定的抗风力等级要求，结合设备的工作状况、外形特征，校核计算了该设备升降杆的抗风抗挠强度能力，并与实验结果进行比较，以确定升降杆的设计是否满足强度要求。
关键词：电子设备;升降杆;抗风抗挠强度
1、引言
某型船用电子设备为了能更大范围的接收和发射信号，一般将该设备置于船上相对较高位置。本文讨论的电子设备采用托盘和单杆支撑方式竖立于船壳突出部位。由于海上风浪大，为了保证设备的安全运行。本文对某电子设备的升降杆装置进行了抗风抗挠强度分析和计算，以初步判断该设计能否保证设备正常工作要求。
2、设备组成及工况要求
2.1设备组成及外形尺寸：该成套设备主要由四个部分组成：圆台型电子设备、托板、升降杆、基础法兰组成。其中电子设备及托板作为整体看待;升降杆材质采用304不锈钢管，外径Φ32壁厚3mm。如图1所示。
2.2适应工况要求
设备在3级海况、6级风力情况下（参考风速10.8-13.8m/s），船舶全速航行时（参考航速30节，约合15.4m/s）设备正常工作、摇摆角度在±5°范围内，且升降装置不发生损坏。
3、抗风强度计算
船舶的运动方向有顺风和逆风两种情况，为了充分校核升降杆的强度同时简化模型，本文按照最恶劣的工况考虑：一是设备和杆的迎风圆弧面均按照平面受力计算;二是设定船舶在逆风航行，取最大风力和最大航速的合速度进行分析计算。
3.1已知条件：
最大风速：
Vmax=V风速+V航速=13.8+15.4=29.2 m/s
P风压=v2/16=（29.2）2/16=532.9 N/m2
升降杆材质：304不锈钢管，其物理性能如下：
屈服强度：[σ]≥205MPa Pa= N/m2
弹性模量：E=206GPa =206000MPa
电子设备及托板总重量：12kg升降杆重量：6.58kg
3.2迎风面积及重心高度：
S设备=0.3×（0.5+0.42）×0.5=0.138 m2
H设备=3.15m
S升降杆=3×0.032=0.096 m2
H升降杆=1.5m
3.3风压对设备各部分的弯矩：
风压对升降杆的弯矩最大作用点在基础法兰与升降杆根部相交处的圆环截面，随着高度不同而变化。我们采用近似计算，取该设备及升降杆迎风面的几何中心处的弯矩进行计算：
M设备= P风压×S设备×H设备=532.9×0.138×3.15=231.65N·m
M升降杆= P风压×S升降杆×H升降杆=532.9×0.096×1.5=76.74N·m
M总=（M设备+ M升降杆）=308.39N·m
3.4升降杆的抗弯截面系数：
Wz=π（D4-d4）/32D=[3.14×（0.0324-0.0264）]/32×0.032=1.81×10-6 m3
3.5升降杆根部理论弯矩允许值：
[M]= Wz[σ]=1.81×10-6×205×106=371.05 N·m
结论：[M]>M总
所以：升降杆的强度是安全的。
4、扰度计算
4.1升降杆的截面惯性距：
I=π（D4-d4）/64=[3.14×（0.0324-0.0264）]/64=2.9×10-8mm4
4.2最大撓度处的载荷：
该结构中升降杆的最大挠度点在杆顶端与托盘连接处位置，高度为3m。为最大限度考虑强度余量并方便计算，将升降杆重心处的弯矩M升降杆直接看作最大挠度处弯矩计算。
Q= M总/ H设备=308.39÷3=102.8 N
4.3风压对设备产生的挠度：
Ymax= 1 QH3/3E I
=（102.8×30003）/（3×206×1015×2.9×10-8）
=154.87mm
4.4升降杆的理论挠度允许值：
按照已知工况，要求设备摇摆角度不大于5°，升降杆顶部最大挠度允许值：
[Ymax]=3000×tan5°=262.5mm
结论：[Ymax]>Ymax
所以：升降杆的挠度符合要求。
5、结束语
本文依据客户提出的船舶在使用该设备时的航行海况，主要依据例行实验的要求从材料力学的角度对升降杆的抗风和抗挠强度进行校核计算，忽略了风速的不均匀系数，空气动力系数以及风向与设备之间的夹角等因素，以及为方便计算对模型简化（均按最大受力进行计算等），校核了升降杆的抗风抗挠度，从计算结果可以看出实际危险处的截面应力及升降杆挠度均小于理论允许值，且尚有一定余量，满足工况要求。故此升降杆的设计是安全可靠的，可以按此模型开展相应结构的细化设计。
参考文献
[1]刘鸿文.材料力学（第5版）高等教育出版社 2011.1
[2]王文斌等.机械设计手册（新版第3版）机械工业出版社 2004.8
[3]GBJ17-1988《钢结构设计规范》GB50017-2003
