姚熊亮 曾令玉 楊文山 張阿漫

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

艦船封閉式桅桿試驗(yàn)方法研究

姚熊亮 曾令玉 楊文山 張阿漫

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

封閉式桅桿因其良好的隱身性能在艦船上廣泛應(yīng)用。針對(duì)封閉式桅桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出以典型結(jié)構(gòu)部件試驗(yàn)、全結(jié)構(gòu)縮比模型試驗(yàn)和實(shí)船跟蹤測(cè)試試驗(yàn)為內(nèi)容的多層次系列試驗(yàn)方法。對(duì)基于吸盤(pán)彈簧秤加載系統(tǒng)的風(fēng)力作用下桅桿強(qiáng)度試驗(yàn)方法及用于測(cè)試搖擺作用下桅桿強(qiáng)度的倒置模型法等多種新的試驗(yàn)方法進(jìn)行詳細(xì)論述。結(jié)果表明，提出的試驗(yàn)方法準(zhǔn)確性高、經(jīng)濟(jì)性好、可操作性強(qiáng)，可成功地對(duì)封閉式桅桿剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)等力學(xué)性能進(jìn)行全面評(píng)估。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；縮比模型試驗(yàn)；部件試驗(yàn)

1 引言

在水面艦艇的最新發(fā)展趨勢(shì)中，各海軍大國(guó)普遍重視艦艇隱身技術(shù)的研究和運(yùn)用。桅桿位于上層建筑的最高處，極易被發(fā)現(xiàn)，為達(dá)到隱身的目的，在現(xiàn)代艦船設(shè)計(jì)中，封閉式桅桿因其雷達(dá)散射截面積小、隱身效果好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用［1－2］。 封閉式桅桿為薄壁筒形結(jié)構(gòu)，且先進(jìn)的封閉式綜合集成桅桿頂部雷達(dá)罩采用復(fù)合材料夾層板制造，桅桿的其他部分采用鋼材制造，兩種材料采用螺栓連接。封閉式桅桿結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，加之復(fù)合材料夾層板及螺栓連接處力學(xué)性能的復(fù)雜性，使得僅使用數(shù)值和理論方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不可靠的。因此，采用試驗(yàn)方法對(duì)封閉式桅桿外載荷、剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能進(jìn)行研究有較大的工程實(shí)用意義。

對(duì)于封閉式桅桿的研究，以往主要采用數(shù)值和理論方法，在封閉式桅桿的試驗(yàn)研究方面，桅桿所受外載荷的測(cè)試主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法，艦船搖擺狀態(tài)下桅桿的強(qiáng)度測(cè)試主要采用正置模型搖擺試驗(yàn)法。然而，風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，且試驗(yàn)時(shí)由于模型的尺度等問(wèn)題使試驗(yàn)雷諾數(shù)和實(shí)際雷諾數(shù)差別較大；傳統(tǒng)的艦船搖擺強(qiáng)度測(cè)量試驗(yàn)存在試驗(yàn)費(fèi)用高、安全性差、周期難以控制等缺點(diǎn)；桅桿在風(fēng)載下的強(qiáng)度試驗(yàn)由于桅桿在風(fēng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受力的復(fù)雜性、加載的困難性等原因致使試驗(yàn)開(kāi)展困難，其相關(guān)試驗(yàn)的文獻(xiàn)甚少。此外，以往的桅桿試驗(yàn)均為鋼質(zhì)材料，對(duì)于復(fù)合材料——鋼混合式結(jié)構(gòu)的封閉式桅桿，需考察其特殊結(jié)構(gòu)件，如復(fù)合材料夾層板和連接處等力學(xué)性能。因此，艦船封閉式桅桿試驗(yàn)涉及的范圍非常廣泛，而我國(guó)還沒(méi)有形成評(píng)估封閉式桅桿力學(xué)特性的系統(tǒng)試驗(yàn)方法。本文根據(jù)封閉式桅桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了封閉式桅桿多層次系列試驗(yàn)方法，以全面評(píng)估封閉式桅桿的力學(xué)性能，旨在為封閉式桅桿的試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)提供參考。

2 試驗(yàn)方法概述

封閉式桅桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括外載荷、強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)特性等內(nèi)容，在研制階段若直接采用全尺度試驗(yàn)，則其經(jīng)濟(jì)代價(jià)和試驗(yàn)周期是不可接受的。因此，建議封閉式桅桿的研制試驗(yàn)采用積木式試驗(yàn)方法，即采用典型結(jié)構(gòu)部件試驗(yàn)、全結(jié)構(gòu)縮比模型試驗(yàn)和實(shí)船跟蹤測(cè)試試驗(yàn)的多層次試驗(yàn)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)篩選和評(píng)估。積木式試驗(yàn)方法試驗(yàn)件尺寸逐級(jí)增大、數(shù)量逐級(jí)減少、試驗(yàn)內(nèi)容逐級(jí)擴(kuò)大，恰似積木疊加，故稱為“積木式”試驗(yàn)方法［3－4］。其中典型結(jié)構(gòu)部件試驗(yàn)主要確定特殊結(jié)構(gòu)件，如復(fù)合材料夾層板、螺栓連接接頭等的力學(xué)性能。全結(jié)構(gòu)縮比模型試驗(yàn)主要是驗(yàn)證封閉式桅桿的外載荷、剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)特性是否滿足要求，其目的是為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約費(fèi)用和時(shí)間；實(shí)船跟蹤測(cè)試試驗(yàn)主要是對(duì)桅桿的各項(xiàng)特性進(jìn)行反饋，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算方法和試驗(yàn)方法進(jìn)行修正和改進(jìn)，以期積累結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而簡(jiǎn)化研制過(guò)程。

3 典型結(jié)構(gòu)部件試驗(yàn)

封閉式桅桿頂部雷達(dá)罩采用復(fù)合材料夾層板制造，復(fù)合材料夾層板通過(guò)層合板過(guò)渡結(jié)構(gòu)和鋼采用螺栓連接，因此，復(fù)合材料夾層板及過(guò)渡結(jié)構(gòu)、螺栓連接結(jié)構(gòu)為封閉式桅桿的典型結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度和疲勞性能試驗(yàn)是桅桿典型結(jié)構(gòu)部件試驗(yàn)的主要內(nèi)容。

3.1 復(fù)合材料夾層板及連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)

設(shè)計(jì)本試驗(yàn)在于確定桅桿復(fù)合材料夾層板及連接結(jié)構(gòu)的破壞形式，同時(shí)檢驗(yàn)復(fù)合材料夾層板和鋼質(zhì)法蘭連接部位的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

典型結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度試驗(yàn)首先要設(shè)計(jì)試驗(yàn)件，試驗(yàn)件設(shè)計(jì)的原則為：試驗(yàn)件復(fù)合材料夾層板、過(guò)渡結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)形式和尺寸均與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同。試驗(yàn)件的寬度至少包括兩個(gè)螺栓間距。確定試驗(yàn)件后，可分別開(kāi)展單跨和懸臂兩種邊界條件的強(qiáng)度試驗(yàn)。封閉式桅桿實(shí)際受風(fēng)時(shí)的力學(xué)特征和單跨試驗(yàn)相似，其加載的最大載荷為封閉式桅桿遭遇的最大風(fēng)壓與試驗(yàn)件的面積之積。夾層板的受力為均布載荷，試驗(yàn)中可采取施加沙袋的方法逐級(jí)加載，加載后分別用應(yīng)變片和位移計(jì)測(cè)量試件應(yīng)力和撓度響應(yīng)。懸臂破壞試驗(yàn)中不斷逐級(jí)加載沙袋，直到試件破壞，觀察試件的破壞形式，以根據(jù)破壞形式對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。圖1顯示了復(fù)合材料夾層板及連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖和試驗(yàn)場(chǎng)景。

圖1 復(fù)合材料夾層板及連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)

3.2 復(fù)合材料層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)

復(fù)合材料層合板和鋼結(jié)構(gòu)采用螺栓連接，其連接部位是高應(yīng)力區(qū)，在重復(fù)載荷作用下極易發(fā)生疲勞破壞。因此，通過(guò)典型試驗(yàn)件疲勞試驗(yàn)，檢驗(yàn)封閉式桅桿螺栓連接處的疲勞性能。

典型試驗(yàn)件疲勞試驗(yàn)同樣需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)件，封閉式桅桿復(fù)合材料層合板螺栓連接處的主要受力為螺栓受到的剪力作用和螺栓受剪力時(shí)對(duì)層合板孔壁的擠壓作用。因此，封閉式桅桿連接處的疲勞問(wèn)題可簡(jiǎn)化為帶孔復(fù)合材料層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)承受較大剪力作用時(shí)的疲勞問(wèn)題，由此可確定疲勞試驗(yàn)件為帶孔復(fù)合材料層合板。為使試驗(yàn)件最大限度地和實(shí)際連接件相同，試驗(yàn)件的材料、厚度、開(kāi)孔大小、端距、邊距及螺栓型號(hào)、預(yù)緊力，均應(yīng)和封閉式桅桿實(shí)際連接結(jié)構(gòu)相同。封閉式桅桿連接處為單剪連接，其特點(diǎn)是螺栓較大的預(yù)緊力直接作用在層合板上，因此可設(shè)計(jì)試驗(yàn)的夾持方式如圖 2（a）所示。

疲勞載荷的確定是疲勞試驗(yàn)的重要內(nèi)容，封閉式桅桿的疲勞載荷主要來(lái)源于每次受風(fēng)時(shí)類似加載到卸載的循環(huán)過(guò)程、受風(fēng)時(shí)雷達(dá)罩周?chē)目諝饷}動(dòng)（脈動(dòng)風(fēng)壓）、主機(jī)和螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)傳到雷達(dá)罩的振動(dòng)等，其中雷達(dá)罩每次受風(fēng)時(shí)類似加載卸載過(guò)程引起的循環(huán)載荷幅值較大，是連接件疲勞的主要原因。根據(jù)疲勞理論，結(jié)構(gòu)壽命隨循環(huán)載荷幅值的增加而減小，因此可將最惡劣載況下的載荷作為疲勞試驗(yàn)的設(shè)計(jì)載荷，其中最惡劣載況為桅桿最大風(fēng)壓與單個(gè)螺栓對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料夾層板面積之積。根據(jù)疲勞試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)載荷的其他參數(shù)可取為：循環(huán)方式為拉拉循環(huán)，應(yīng)力比為0.1，波形為正弦波，頻率為10 Hz，循環(huán)次數(shù)10萬(wàn)次。復(fù)合材料沒(méi)有明顯的疲勞極限，因此可規(guī)定當(dāng)孔相對(duì)永久變形值為6%孔徑時(shí)，螺栓連接接頭發(fā)生疲勞破壞［5］。 圖 2（b）顯示了疲勞試驗(yàn)時(shí)的場(chǎng)景。

圖2 復(fù)合材料層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)

4 全結(jié)構(gòu)縮比模型試驗(yàn)

船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)，作用在桅桿上的載荷主要有：桅桿結(jié)構(gòu)及其設(shè)備的重力、船舶搖擺時(shí)所引起的慣性力、桅桿所受風(fēng)力［6］。全結(jié)構(gòu)縮比模型試驗(yàn)中，將對(duì)桅桿在各種載荷下的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性是否滿足規(guī)范要求。

4.1 桅桿風(fēng)載荷測(cè)試試驗(yàn)

通過(guò)風(fēng)載荷測(cè)試試驗(yàn)確定桅桿的風(fēng)力載荷，進(jìn)而將此載荷施加到結(jié)構(gòu)上評(píng)估桅桿結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下的強(qiáng)度。

按照相似理論和流體力學(xué)原理，水池拖曳試驗(yàn)時(shí)，水中流場(chǎng)若和實(shí)際桅桿周?chē)目諝饬鲌?chǎng)相似，壓力等表征流場(chǎng)特性的參數(shù)就滿足一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，換言之，桅桿結(jié)構(gòu)在風(fēng)中的響應(yīng)特性就可由水中試驗(yàn)的結(jié)果相似轉(zhuǎn)換得到。由相似第二定律可知：

式（1）表明，風(fēng)壓系數(shù) CD與 Re、Fr、St、Eu 數(shù)相關(guān)，當(dāng)兩流場(chǎng)的所有相似準(zhǔn)數(shù)均相等時(shí)，該流場(chǎng)的壓力就完全相似，但具體試驗(yàn)中可針對(duì)所研究問(wèn)題，保證其中部分相似準(zhǔn)數(shù)相等。本試驗(yàn)中測(cè)定桅桿的風(fēng)載荷，這主要與流體的粘性相關(guān)，故要保證Re數(shù)相等。理論分析與物理試驗(yàn)表明，當(dāng)試驗(yàn)雷諾數(shù)達(dá)到一定值后，模型的風(fēng)壓系數(shù)趨于穩(wěn)定［7－8］，這一雷諾數(shù)稱之為“臨界”雷諾數(shù)。臨界雷諾數(shù)可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，因此試驗(yàn)中可實(shí)現(xiàn)雷諾數(shù)相似。

根據(jù)試驗(yàn)原理所述，對(duì)桅桿開(kāi)展水池拖曳試驗(yàn)以測(cè)定桅桿的風(fēng)力載荷。桅桿拖曳試驗(yàn)的具體方法為：將桅桿模型固定在拖車(chē)上，使模型倒立沒(méi)入水中，用拖車(chē)拖動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，使用壓力傳感器測(cè)量桅桿的響應(yīng)。為了使試驗(yàn)流場(chǎng)與實(shí)際流場(chǎng)相似，在桅桿底部裝上模擬甲板穩(wěn)定流場(chǎng)。水池拖曳試驗(yàn)示意圖和試驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 桅桿風(fēng)載荷測(cè)試試驗(yàn)

圖4顯示了水池拖曳試驗(yàn)測(cè)定的平均壓力系數(shù)和數(shù)值計(jì)算的桅桿受風(fēng)時(shí)的平均壓力系數(shù)的對(duì)比曲線。從圖中可知，二者誤差較小，因此，用水池拖曳試驗(yàn)方法模擬桅桿在風(fēng)中的受力具有較高的精度。

圖4 平均壓力系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比曲線

4.2 桅桿風(fēng)載荷強(qiáng)度試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)的目的是考察桅桿復(fù)合材料夾層板、螺栓連接結(jié)構(gòu)、桅桿鋼質(zhì)板架等結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下的強(qiáng)度和剛度，及檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的比較，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的正確性，從而為封閉式桅桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。下面對(duì)試驗(yàn)的方法作重點(diǎn)闡述。

桅桿在風(fēng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)同時(shí)受到壓力和拉力作用，由于桅桿受力時(shí)為線性系統(tǒng)，因此，桅桿在壓力作用下的響應(yīng)與在相同拉力作用下的響應(yīng)值正好相反，即可把桅桿的壓力作用轉(zhuǎn)化為拉力作用進(jìn)行加載。桅桿受到的風(fēng)壓為面載荷，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的面載荷加載一直是試驗(yàn)的難點(diǎn)，工程界一直沒(méi)有找到對(duì)桅桿施加面壓以模擬桅桿所受風(fēng)力的方法。本文根據(jù)桅桿的載荷特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了吸盤(pán)彈簧秤加載系統(tǒng)以模擬桅桿所受風(fēng)力，其示意圖和試驗(yàn)場(chǎng)景如圖5所示。桅桿面載荷的具體施加方法為：將吸盤(pán)吸附在桅桿表面，吸盤(pán)的另一端與彈簧秤相連，彈簧秤通過(guò)緊繩器連接到輔助支架上，將繩固定在輔助支架后，擰動(dòng)緊繩器拉動(dòng)吸盤(pán)，拉力大小由彈簧秤讀出，此加載系統(tǒng)利用吸盤(pán)的吸力特性提供桅桿的面拉力。

試驗(yàn)中若在桅桿的所有側(cè)面上同時(shí)加載，則需要大量的加載設(shè)備和輔助支架，同時(shí)，在所有面上加載需要的操作時(shí)間較長(zhǎng)，由于測(cè)量系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果的巨大誤差。為克服以上弊端，試驗(yàn)中可采用單面依次加載測(cè)量的方法，其具體方法為：對(duì)桅桿的每個(gè)面依次加載，測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將各面加載后的試驗(yàn)值線性疊加，從而得到在完全載荷作用下的試驗(yàn)值。單面依次加載的理論基礎(chǔ)為線性疊加原理，桅桿結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)載荷下為線性系統(tǒng)，線性系統(tǒng)的基本特性為：輸出對(duì)于輸入滿足線性疊加原理，即系統(tǒng)對(duì)所有輸入的總響應(yīng)等于系統(tǒng)對(duì)各個(gè)輸入響應(yīng)的和。因此，各面分別加載測(cè)得的響應(yīng)之和即為所有面同時(shí)加載的響應(yīng)。采用吸盤(pán)彈簧秤加載系統(tǒng)測(cè)得的響應(yīng)和數(shù)值計(jì)算的桅桿響應(yīng)的對(duì)比曲如圖6所示。從圖中可知，二者誤差較小，因此，采用吸盤(pán)彈簧秤加載系統(tǒng)開(kāi)展桅桿風(fēng)載荷強(qiáng)度試驗(yàn)具有較高的精度。

圖5 桅桿風(fēng)載荷強(qiáng)度試驗(yàn)

圖6 桅桿應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比曲線

4.3 桅桿慣性力載荷強(qiáng)度試驗(yàn)

在數(shù)值計(jì)算時(shí)，慣性力是以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的加速度形式施加的，和實(shí)際情況有較大差異，因此，通過(guò)慣性力載荷強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證桅桿結(jié)構(gòu)在慣性力作用下的強(qiáng)度，并通過(guò)試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。

艦船搖擺時(shí)桅桿的擺動(dòng)為正置搖擺狀態(tài)，正置搖擺時(shí)桅桿受重力和搖擺慣性力的作用，受力示意圖如圖7（a）所示，其中G表示重力，Y表示搖擺慣性力，F(xiàn)表示所受的合力。若將桅桿倒置搖擺，且搖擺相位角與圖7（a）相同時(shí)，則受力分析如圖 7（b）所示。 比較圖 7（a）和圖 7（b）發(fā)現(xiàn)，兩種情況下桅桿所受重力相對(duì)桅桿的作用方向相反，而慣性力相對(duì)桅桿的作用方向相同。桅桿倒置搖擺時(shí)，如果再給桅桿施加一個(gè)大小為2G，方向與G相反的力，則桅桿的受力狀態(tài)與正置搖擺時(shí)相同。因此，若將桅桿倒置搖擺時(shí)的響應(yīng)表示為A，桅桿倒置搖擺時(shí)重力引起的響應(yīng)表示為B，桅桿正置搖擺時(shí)的響應(yīng)表示為C，基于以上分析可以得到：C＝A－2B，即桅桿正置搖擺時(shí)的響應(yīng)C可通過(guò)測(cè)量A和B求得。

圖7 桅桿搖擺受力示意圖

根據(jù)以上原理，本文設(shè)計(jì)了倒置模型法對(duì)艦船搖擺作用下的桅桿強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。桅桿倒置后形成的搖擺系統(tǒng)如圖8（a）所示，從圖中可知，此時(shí)桅桿搖擺系統(tǒng)近似單擺系統(tǒng)，其搖擺周期為：

式中，T為搖擺周期；l為系統(tǒng)重心到旋轉(zhuǎn)軸的距離。

本試驗(yàn)通過(guò)給系統(tǒng)增減配重的方法改變l的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的搖擺周期T的控制，以滿足多種試驗(yàn)工況的要求。試驗(yàn)時(shí)，響應(yīng)A由倒置桅桿搖擺狀態(tài)下測(cè)量得到，響應(yīng)B由倒置桅桿靜止于相應(yīng)角度狀態(tài)下測(cè)量得到，其試驗(yàn)場(chǎng)景如圖8（b）所示。采用倒置模型法測(cè)得的桅桿響應(yīng)和數(shù)值計(jì)算的桅桿響應(yīng)的對(duì)比曲如圖9所示，從圖中可知，二者誤差較小，因此，采用倒置模型法開(kāi)展桅桿在搖擺作用下的強(qiáng)度試驗(yàn)可減少輔助設(shè)備，提高試驗(yàn)的可操作性和安全性，且結(jié)果具有較高的精度，將倒置模型法用于封閉式桅桿的強(qiáng)度試驗(yàn)是可行的。

圖8 桅桿慣性力載荷強(qiáng)度試驗(yàn)

圖9 桅桿應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比曲線

4.4 桅桿振動(dòng)特性試驗(yàn)

通過(guò)桅桿振動(dòng)特性試驗(yàn)考察桅桿結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，檢驗(yàn)其固有頻率與船舶主輔機(jī)及螺旋槳激振頻率的頻率錯(cuò)開(kāi)率。

可采用傳統(tǒng)的錘擊法開(kāi)展桅桿振動(dòng)特性試驗(yàn)，其試驗(yàn)原理為：在桅桿模型上固定加速度傳感器，當(dāng)用力錘錘擊模型時(shí)，激起桅桿的自由振動(dòng)，模型上的加速度傳感器可采集到桅桿的加速度時(shí)歷響應(yīng)信號(hào)，對(duì)時(shí)歷信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，便可求得桅桿的固有頻率。試驗(yàn)測(cè)量桅桿的總體模態(tài)時(shí)，將加速度傳感器放置在桅桿鋼質(zhì)部分頂部；測(cè)量復(fù)合材料雷達(dá)罩總體模態(tài)時(shí)，將傳感器放置在雷達(dá)罩頂部；測(cè)量雷達(dá)罩外板局部模態(tài)時(shí)，將傳感器放置在雷達(dá)罩外板中部。

5 實(shí)船跟蹤測(cè)試試驗(yàn)

為保證封閉式桅桿的強(qiáng)度，需在艦船服役期間對(duì)其力學(xué)性能實(shí)時(shí)監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)警、驗(yàn)證并修正數(shù)值計(jì)算方法，進(jìn)而簡(jiǎn)化研制過(guò)程。由于應(yīng)變片精度易受環(huán)境等因素影響，實(shí)船跟蹤測(cè)試試驗(yàn)需采用光纖傳感器測(cè)試。我國(guó)目前還沒(méi)有開(kāi)展實(shí)船跟蹤測(cè)試試驗(yàn)，其光纖光柵傳感器的布設(shè)方式、布線方案及傳感器與艦船結(jié)構(gòu)的適配性等問(wèn)題需進(jìn)一步研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并提出了封閉式桅桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)篩選和評(píng)估的多層次系列試驗(yàn)方法，具體包括典型結(jié)構(gòu)部件試驗(yàn)、全結(jié)構(gòu)縮比模型試驗(yàn)和實(shí)船跟蹤測(cè)試試驗(yàn)等內(nèi)容。文中詳細(xì)闡述了典型試驗(yàn)件試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)、載荷確定、加載方法等問(wèn)題。在結(jié)構(gòu)縮比模型試驗(yàn)中，提出了水池拖曳試驗(yàn)?zāi)M桅桿所受風(fēng)力以測(cè)試桅桿載荷；設(shè)計(jì)了吸盤(pán)彈簧秤加載系統(tǒng)以測(cè)試桅桿在風(fēng)力作用下的強(qiáng)度；設(shè)計(jì)并提出了倒置模型法以測(cè)試桅桿搖擺作用下的強(qiáng)度。實(shí)際試驗(yàn)表明，本文所提出的系統(tǒng)試驗(yàn)方法精度較高，且有經(jīng)濟(jì)性好、操作簡(jiǎn)單、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，可全面評(píng)估封閉式桅桿剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)特性等力學(xué)性能。建議將該試驗(yàn)方法應(yīng)用于封閉式桅桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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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

船舶工業(yè)國(guó)防科技預(yù)研基金（07J1.1.6）

姚熊亮（1963－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。

曾令玉（1986－），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。E-mail：zly817hh＠163.com