舰船摇摆载荷下某贮存装置强度仿真与应力测试

2022-10-19李亚辉戴宗妙高治华

舰船科学技术 2022年17期

李亚辉，戴宗妙，高治华

(中国船舶集团有限公司第七一三研究所，河南郑州 450000)

0 引言

随着舰船越来越长时间战备值班于重要海域，舰载设备经受海上复杂气象条件作用的时间也越来越长，舰船航行过程中的摇摆姿态是一个多自由度外加振动的动态运动体系，所有舰载设备均受到这一动态运动体系的影响，尤其是舰载设备的实际应用受到舰船摇摆姿态的影响极大，舰载设备在极端海况下承受的载荷是其结构强度设计的重要依据。

目前舰载设备在研制时主要采用强度仿真分析或在舰船模拟摇摆台上进行实验测试的手段，验证舰载设备的结构强度是否满足舰船摇摆工况的需求，但对于结构尺寸较大的舰载设备，难以找到合适的舰船模拟摇摆台进行实验，其强度仿真分析的准确性显得尤为重要。

本文以某型贮存装置为列，通过舰船模拟摇摆台摇摆实验应力测试和仿真分析计算2 种手段对贮存装置的结构强度进行验证，对2 种手段的结果进行对比分析，检验仿真分析计算结果的准确性，为大型舰载设备摇摆载荷下的结构设计提供依据。

1 舰船海况模拟平台摇摆实验

舰船海况模拟平台是模拟实现舰载设备承受舰船摇摆环境后的结构动力学响应的理想设备，它能够接近真实地再现舰船在不同海况下的摇摆情况，使舰载设备研制在陆基环境下接受舰载环境考核，对提升舰载设备的研制质量具有重要意义。

选取横摇22°周期14 s，纵摇5°周期7 s 的摇摆工况在舰船海况模拟平台上对某型贮存装置进行摇摆实验。

2 应力测试

摇摆工况下，贮存装置立柱主体和肋板结合处受到的局部应力较大，导轨存放区中心部位也受到较大应力，在图1 所示应力较大部位粘贴三向应变片进行应力测试（测点标记-分别对应图中测点-）。采用DH5925 动态信号测试分析系统进行应力测试。

图1 应力应变测点Fig.1 Stress and strain measuring point

摇摆实验时，对贮存装置进行应力测试，截取1 200～1 500 s 稳定摇摆状态下的应力测试曲线见图2～图4。由测试曲线可知，，，，和测试点的最大应力分别为5.07 MPa，5.89 MPa，2.28 MPa，3.1 MPa 和3.88 MPa。

图2 S7、S8 点应力测试曲线Fig.2 S7,S8 point stress test curve

3 仿真分析计算

3.1 摇摆载荷系数计算

“载荷系数是舰船结构或设备由于重力加速度和舰船运动加速度使其在纵向、横向和垂向上受到的载荷和重力的比值”，横摇是船体绕纵轴所做的周期性角位移运动，纵摇是船体绕横轴所做的周期性角位移运动。假定舰船横摇、纵摇同时达到最大值时舰载设备承受舰船摇摆的过载系数见下式：

图3 S9、S10 点应力测试曲线Fig.3 S9,S10 point stress test curve

图4 S11 点应力测试曲线Fig.4 S11 point stress test curve

根据摇摆实验所用舰船模拟摇摆台的实际参数，建立图5 所示的舰船模拟摇摆台摇心固定坐标系，被试贮存装置的质心在模拟摇摆台固定坐标系内的坐标为(，，)，以摇摆实验时的横摇22°周期14 s，纵摇5°周期7 s 的摇摆参数及贮存装置在舰船模拟摇摆台上的实际质心坐标值为输入，通过式（1）计算载荷系数见表1。

图5 舰船模拟摇摆台坐标系与贮存装置位置Fig.5 Ship simulation rocking table coordinate system and storage device location

表1 摇摆实验载荷系数Tab.1 Load factor of rocking test

3.2 摇摆工况下的应力计算

建立贮存装置有限元模型，按照贮存装置在舰船海况模拟平台上的固定情况施加边界条件，按照摇摆实验的承载状态施加质量点，同时按照表1 的载荷系数对模型施加载荷，采用有限元软件对贮存装置结构进行有限元分析，贮存装置应力测试点上的应力计算结果如图6 所示，，，，和测试点的应力计算值分别为5.34 MPa，5.53 MPa，2.05 MPa，2.61 MPa和3.31 MPa。