一种结构垂向冲击载荷测量方法分析研究

莫立新 涂 三 周心桃

1大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁 大连116011 2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

一种结构垂向冲击载荷测量方法分析研究

莫立新1涂 三2周心桃2

1大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁 大连116011 2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

某些作用在舰船结构上的瞬态动载荷，由于受到客观条件限制（比如空间狭小），不方便直接通过压力传感器获得其大小，而该载荷对于船体结构设计又关系重大，如何取得外载荷曲线便成了十分关键的问题。针对实船某承受特殊冲击载荷的基座结构，通过测量其结构动应变，利用材料应变－应力关系曲线得出了冲击载荷的时间历程曲线，最后用有限元法对该冲击载荷测量曲线进行验证。结果表明，当结构应变率小于3 mm／mm／s时，可采用静态材料应变－应力关系曲线对结构冲击载荷进行测量计算，从而为此类结构外载荷测量方法提供参考。关键词：舰船；冲击载荷；测量方法；应变率

1 引言

在舰船结构的设计中，对于承受特殊载荷的局部结构，需要确定作用在结构上的外载荷大小，才能够对结构强度进行校核，以验证该结构设计的可靠性。船体结构的外载荷测量一般可采用直接测量的方法，即在结构受力点或者受力区域布置压力传感器，直接获得外力载荷的作用曲线。但在某些场合由于受到客观条件的限制（比如测点布置位置空间狭小），布置压力传感器并不可行，这时必须寻求其他的测量手段来获得作用在结构上的外载荷。

本文针对实际舰船中某承受冲击载荷的专用基座结构，分析基座的结构受力特点，通过测量其在外载荷作用下的结构应变ε，然后利用材料的力学性能获得作用在基座结构某一截面内的正应力σ，继而求得作用在截面上外载荷的大小。最后利用有限元法建立该基座结构有限元模型，施加求得的外载荷曲线，并将有限元计算结果与实船测量结果进行对比，以验证该测量方法的可行性。同时分析了螺栓连接在有限元法中的处理方法，供相关设计人员参考。

2 实船测量

2.1 测量原理及测量模型

目前，在冲击载荷测量方面，最简单的方法就是通过测量冲击物体的质量和加速度来确定冲击力，但这种方法忽略了物体的变形，因此仅适用于冲击物体可被视为刚体的情况。另一种方法是在相互碰撞的物体间加入一个力传感器，这就要求力传感器足够小且柔软而不至于影响物体之间的相互接触。在一些特殊情况下，冲击力也可以采用非直接测量法测得。例如，当一细长弹性杆撞击物体时，可由附于长杆上的应变片的测量值采用一维应力波理论来确定其冲击力，SHPB实验技术是应用非直接测量法最成功的范例之一［1］。但实际冲击载荷测量中，由于实际条件及诸多因素的限制，上述方法往往难以采用。为了克服以上困难，近年来力学工作者提出了各种改进方法，其中反分析法 （即通过测量距冲击点一定距离处某些部位的响应，如位移、速度、加速度或应变等，来确定冲击点处的冲击载荷）得到了较为广泛的应用［2－5］。

在材料力学中，对于静载荷和动载荷的定义，一般也是由载荷对结构作用时的应变速率ε来区分的。应变速率对材料力学性能的影响试验结果指出，在应变速率超过以后，材料的力学性能明显受到应变速率的影响，因此，使构件的应变速率不超过3 mm／mm／s的载荷称为“静载荷”［6］。这为反分析方法间接测量结构冲击载荷提供了一种思路，即通过测量结构应变，计算出应变率后，与3 mm／mm／s进行比较，然后确定是否可采用静载荷下材料应力－应变曲线进行冲击载荷的反算。

本次实验中冲击载荷的测试方法，试验前考虑了三种方案：

1）直接测量接触点处的压力值。因为此处为冲击载荷最直接作用点，因此测得的冲击力最准确；

2）测试A基座横截面上的垂向应力分布。因为A基座为铸件，具有很好的刚性，其腹板也基本处于单向拉压应力状态，而且操作更方便，因此可以根据发射底座横截面上的垂向应力分布来推算冲击载荷；

3）根据B基座及附近结构上测得的动应力响应，采用有限元分析方法，对冲击载荷的作用力大小进行反算分析。

方法1）有极大的局限性，因为在实船上该接触点附近空间极小，无法满足压力传感器布置空间需求；方法2）虽然准确性次于方法1），但方法可行，便于布置应变片；方法3）准确性可能更差，而且实现起来也比较困难。综合以上原因，采用方法2）进行冲击载荷的间接测试。

在本次试验中，首先通过测量基座结构应变速率来确定冲击载荷的属性，然后由相应的材料应变－应力关系曲线求出测量截面的正应力，最后得到冲击载荷的大小，冲击载荷测量系统框图见图1。

图1 冲击载荷测量系统框图

测量模型（基座A）为高约1 m的锥形箱式铸钢，通过螺栓水平固定在船体基座B上，冲击载荷通过基座A顶板中点垂直作用在基座A上 （图2）。船体基座B位于船体结构强构件上，而且其底部结构还进行了局部加强以提高结构强度。

2.2 测量方法

利用电阻式应变片分析结构的应力状态时，应变片的布置是其关键。而决定布片方案时，要考虑测点的应力状态、构件的受力情况和温度补偿的原则。单向应力状态只需贴1个工作片，主方向已知的双向应力状态测点需贴2个工作片，而主方向未知时，则需在一点贴3个工作片或采用应变花［7－8］。基座A承受垂向冲击载荷，结构应力状态为单向应力状态，因此，只需在测点处布置1个工作片，测点布置图见图3所示。

图3 测点布置图

结构应变测量系统框图见图4。

图4 结构应变测量系统

测量前，对测试仪器仪表进行标定，并在测点位置进行打磨、贴应变片、连接测量系统（包括温度补偿部分）、调试等准备工作。

2.3 测量结果

测点1～4测量结果见图5～图8；图9为测点1的时间－应变率图，其最大值ε˙≈0.7＜3，因此，冲击载荷可按静载荷处理。

图5 测点1时间－应变曲线

图6 测点2时间－应变曲线

图7 测点3时间－应变曲线

图8 测点4时间－应变曲线

图9 测点1应变率－时间曲线

对图5～图8的测量结果，在相对时间0.65 s和0.84 s取其平均值，再根据基座截面承载面积和材料力学理论得出冲击载荷曲线，如图10。其中曲线按线段进行简化处理，不影响主要数据载荷峰值的准确性。

3 有限元法验证

专用基座A通过螺栓固定在船体基座B上。在基座A上布置的应变测点距离基座底板有相当距离，在不关心螺栓处的应力状态时，可将基座A与基座B作为一个整体来建模，基座B与船体结构相连处按刚固边界条件处理［9－10］。实船基座B以下结构进行了特殊加强，可看作刚性支撑，因此以上边界条件的处理是合理的。

将图10所示的冲击载荷时间曲线施加在基座A顶部面板的中点处，对整个模型进行有限元分析。测点2、测点4应变－时间曲线有限元分析结果见图11所示，有限元模型及应力云图见图12所示。基座B在受到冲击载荷时其结构受力相对于基座A极小，因此在有限元计算时，将基座B与船体相连处取为刚性固定是可行的。

图10 冲击载荷曲线

图11 测点2、4应变－时间图

图12 有限元计算模型及应力图

4 结果及结论

实船试验的应变－时间曲线与有限元计算的应变－时间曲线吻合，有限元计算结果和模型实验结果值相对误差控制在5%以内，误差较小，计算结果见表1。

表1 有限元计算结果和模型实验结果比较

经实船试验和有限元计算表明：

1）冲击载荷作用时间很短，总共只有不到0.4 s的时间，其中对结构向下冲击载荷时间约0.3 s，最大冲击载荷约18.3 t；对结构向上的载荷时间约0.1 s，最大载荷约8.3 t。实船测量结果与有限元模型计算结果较为吻合。

2）在舰船结构设计中，当需要对承受特殊载荷的结构部位进行外载荷测量，在受到种种客观条件限制而不能直接对外载荷进行测量时，可通过间接测量结构的动应变响应，计算出应变率，然后判断能否用静载荷下材料的应力－应变曲线来推算冲击载荷的大小，该测量方法设备简单，方法有效，适用于结构应变率小于3 mm／mm／s的外载荷的测量。

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［3］卢静涵.反分析法在结构冲击动力响应实验中的应用［J］.爆炸与冲击，2004，24（2）：23－25.

［4］李田泽.通过反向分析法计算冲击载荷［J］.传感器世界，2002，12（5）：9－12.

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［10］杜宏奎.螺栓联接结构的有限元模拟计算［J］.压缩机技术，2004，184（2）：11－13.

Method for Measuring Vertical Impulsive Load on Ship Structure

Tu San2Mo Li－xin1Zhou Xin－tao2
1 Military Representative Office in the 426 Shipyard，Dalian 116011，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Some loads acting on structure of ship are not easy to gain by pressure sensor in some condition，such as a narrow space.These loads are important to the design of ship，thus how to get the curves of the loads is becoming more critical.To measure the dynamic strain of the special structure，which received impulsive load is presented.Using the strain－stress curve of material，it can get the impulsive load curve.At last Finite Element Method（FEM）is used to validate the result of the measurement.It is found that using the static strain－stress curve of material to caculate the load is correct when the rate of strain is less than 3mm／mm／s.The work can offer reference for the measurement application.

ship；impulsive load；measuring method；rate of strain

U661.43

A

1673－3185（2009）04－38－04

2008-12-19

莫立新（1965－），男，高级工程师。研究方向：船舶总体

涂 三（1978－），男，工程师，硕士。研究方向：舰船结构设计。E-mail：tu3_hust＠163.com