CN101526438B - 封闭式桅杆强度测量方法及专用测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种封闭式桅杆强度测量方法及专用测量装置。采用吸盘弹簧秤加载装置，测出桅杆的应力和位移响应；采用传感器支架加载装置，测出桅杆的响应；根据线性叠加原理，将桅杆各面加载的试验值累加，从而得到在所有载荷作用下的试验值，实现桅杆模型试验。本发明以线性叠加原理为理论基础，针对封闭式桅杆在风中的受力特点，提出了采用各面分别加载的方法开展模型试验。根据桅杆在风中受拉力和压力共同作用的特点，提出了吸盘弹簧秤加载系统和传感器支架加载系统以模拟桅杆所受风力，此两种系统能够实现较复杂结构的面拉力和面压力加载。解决了桅杆缩比模型试验非风洞试验无法开展的困难，为封闭式桅杆设计及试验提供了理想的替代方案。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种强度测量方法，具体地说是一种舰船封闭式桅杆缩比模型强度试验方法。本发明还涉及到封闭式桅杆缩比模型强度试验方法的结构拉力和压力的加载装置。
(二)背景技术
由于隐身性能的需要，现代舰艇逐渐采用封闭式桅杆，封闭式桅杆为薄壁无加强筋式结构，并采用透波性较好的复合材料制造，其刚度较低，容易因失稳而破坏，因此在结构设计时必须使其具有足够的强度。目前一般采用数值计算的方法进行封闭式桅杆的结构设计，但复合材料力学性能复杂，数值计算的误差有可能导致所设计结构的破坏，我国复合材料地面雷达罩破坏的例子屡见不鲜，因此，封闭式桅杆结构强度试验十分必要。
封闭式桅杆的主要载荷为风载荷，我国目前主要采取风洞试验进行封闭式桅杆风载荷的模拟，但风洞试验耗费巨大，经济效益极差，此外，由于电性能试验的需求，封闭式桅杆试验模型缩尺比一般较大，这给风洞试验带来了一定困难，在我国现有条件下，很难开展如此尺寸的风洞模型试验。风作用于封闭式桅杆时产生面压力和面拉力，分布较复杂，现有的加载系统大部分为点加载，面载荷加载系统亦仅能对形状简单的结构施加面压力，而对于结构复杂物体及面拉力的加载则无法实现。因此，寻求其他试验方法以模拟封闭式桅杆所受风力进而验证结构强度成为一个亟待解决的问题。
与本发明申请有关的公开文件有：1、筒状桅杆结构强度与振动特性的计算与试验研究(传感器与微系统2007年05期)；2、五边形筒型桅杆模拟风载试验研究(水动力学研究与进展2004年19卷5期)；3、桅杆结构风洞试验研究(建筑结构学报2006年06期)；4、桅杆结构模型静力试验分析【南通工学院学报(自然科学版)2002年1卷3期】；5、船用伸缩式桅杆(CN101306718申请号/专利号：200810061615分类号：B63B15/00申请人/专利权人：杭州赛奇高空作业机械有限公司)；6、膜结构多功能试验仪(CN1603781申请号/专利号：200410067581分类号：G01N3/00；G01N3/02申请人/专利权人：上海交通大学)等。文献1设计了舰船桅杆在惯性力下的模型试验，惯性力是桅杆另一种形式的力，和本专利的桅杆风力加载模型试验不同。文献2对舰船筒型桅杆进行了拖曳试验，测量了舰船在航行时桅杆由于流体作用所受的实际风载，没有分析桅杆结构的响应，和本专利的试验方法不同。文献3进行了桅杆结构风洞试验，记录了格构式和单筒式桅杆模型的自振特性和风振响应测试结果，与本专利风力加载的试验方法不同。文献4进行了桅杆结构的静力试验，得出了桅杆在静力荷载作用下的力学特性，但进行加载的方式为点加载，本发明采用的是面加载，故与本专利的试验方法不同。文献5设计了可以伸缩的桅杆，但不涉及到桅杆的试验及加载技术，和本专利差别较大。文献6发明了针对膜结构的多功能试验仪，但不适用与形状过于复杂的结构，本专利则可以对复杂结构进行加载，相比之下优势明显。
综上所述，已公开发表的文献及已申请的专利与本发明均有较大差别。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种设备投资少、操作简单、准确度高的封闭式桅杆强度测量方法。本发明的目的还在于提供一种用于封闭式桅杆强度测量的专用测量装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的测量方法如下：
1、测点布置及测试设备安装
先采用有限元方法对封闭式桅杆进行计算，在应力较大的位置布置应变片，在位移较大的位置布置位移计；
2、测量桅杆在风中受拉力
采用吸盘弹簧秤加载装置，首先将吸盘吸附在桅杆表面，然后与弹簧秤、紧绳器相连，通过绳子固定到刚性辅助支架上，通过紧绳器调节弹簧秤读数，直至所有弹簧秤读数均达到试验设计载荷，测出桅杆的应力和位移响应；
3、测量桅杆在风中受压力
采用传感器支架加载装置，首先对力传感器进行标定，根据设计载荷的范围逐级加载测出力传感器对应的输出值，用插值方法计算出施加设计压力载荷时力传感器对应的输出值，然后将加载支架放到桅杆上，使加载支架壁面和桅杆壁面完全接触，扭动螺母，待力传感器至输出值时，测出桅杆的响应；
4、数据处理
桅杆在风中运动时，根据受力性质的不同可将桅杆各面分为受压面和受拉面，测量方法2、3中已通过两种加载装置对各面进行了拉力和压力加载，测得了各面分别加载的应变响应。根据线性叠加原理，将桅杆各面加载的试验应变值代数累加，从而得到在所有载荷作用下的试验应变值，将累加的试验应变值代入材料的应力计算公式可求得试验的应力值(不同材料的应力计算公式不同，其具体公式可查材料力学手册得到)，从而实现桅杆模型试验的强度测试。
所述的在应力较大的位置布置应变片的方法是：先用砂纸把桅杆模型上应贴应变片的地方磨光并用丙酮清除其污垢，然后把应变片胶贴在相应的位置上，将导线一端与应变片焊在一起，用万用表测量导线另一端的阻值，直到与应变片相连的导线都可用为止，最后把电线与静态电阻应变仪相连，通过电阻应变仪的输出判断所有导线均有效连接。
所述的在位移较大的位置布置位移计的方法为：调节位移计机械机构至适当位置，使其探针位于测点处且与桅杆外板接触，安装后读取位移计初始数值。
本发明的封闭式桅杆强度测量方法的专用测量装置包括吸盘弹簧秤加载装置和传感器支架加载装置两部分，所述的吸盘弹簧秤加载装置的组成包括刚性辅助支架，连接于刚性辅助支架上的绳子，串接在绳子上的紧线器和弹簧秤，连接在绳子另一端的吸盘；所述的传感器支架加载装置的组成包括两个刚性辅助支架，每个刚性辅助支架上安装有螺纹杆，螺纹杆上安装力传感器，两个力传感器之间连接加载支架，每个螺纹杆的下端设置螺母。
加载支架的加载面与桅杆围壁之间设置薄沙袋。
本发明形成了封闭式桅杆强度试验方法，采用此方法可测试封闭式桅杆的强度。封闭式桅杆强度测试主要包括加载技术和试验方法两个部分。本发明根据桅杆在风中受拉力和压力共同作用的特点，提出了吸盘弹簧秤加载系统和传感器支架加载系统以模拟桅杆所受风力，此两种系统能够实现较复杂结构拉力和压力的加载，是一种新型的加载技术，此种加载技术亦可推广至其他力学试验中。此外，本发明以线性叠加原理为理论基础，针对封闭式桅杆在风中的受力特点，提出了各面分别加载的试验方法开展强度试验。
吸盘弹簧秤加载系统可以实现拉力加载，示意图见图1。具体做法为：将吸盘吸附在桅杆表面，吸盘的另一端通过绳子与弹簧秤相连，弹簧秤通过紧线器连接到刚性辅助支架上，将绳固定在辅助支架后，拧动紧线器调节弹簧秤读数，直至其读数达到试验设计载荷，此时便模拟了桅杆在风中受到的拉力作用，实现了桅杆的拉力加载。此加载系统利用吸盘的吸力特性提供桅杆的拉力，使用弹簧秤确定施力的大小。
传感器支架加载系统可以实现压力加载，示意图见图2。具体做法为：先对力传感器进行标定，根据需施加压力的大小测出力传感器需要的输出值，然后将加载架放到桅杆上，使加载面和桅杆围壁接触，在加载面和桅杆围壁中间放入薄沙袋以保证接触良好。加载架安装好后用扳手扭动螺母，直至力传感器至输出值，此时便模拟了桅杆在风中受到的压力作用，实现了桅杆的压力加载。此加载系统采用螺纹省力原理，用螺纹作为施力源，用力传感器控制施力的大小。
单面依次加载的具体方法为：对桅杆的每个受风面依次加载，测量试验数据，将各面加载的试验值累加，从而得到在所有载荷作用下的试验值。其理论依据为线性叠加原理，桅杆结构在设计载荷下的应力应变远小于材料的线性极值点，且变形小，属于小变形问题，故可将桅杆结构看成线性系统。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。
本发明以线性叠加原理为理论基础，针对封闭式桅杆在风中的受力特点，提出了采用各面分别加载的方法开展模型试验。此外，根据桅杆在风中受拉力和压力共同作用的特点，提出了吸盘弹簧秤加载系统和传感器支架加载系统以模拟桅杆所受风力，此两种系统能够实现较复杂结构的面拉力和面压力加载，是一种新型的加载技术，已经过实验验证其具有较高的精度。此发明解决了桅杆缩比模型试验非风洞试验无法开展的困难，为今后封闭式桅杆结构设计及模型试验提供了一种较理想的替代方案。此外，本发明中的加载技术可实现较复杂结构的面拉力和面压力加载，此种加载技术亦可推广至其他力学试验中。
(四)附图说明
图1拉力加载示意图；
图2压力加载示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
本发明的封闭式桅杆强度测量方法的专用测量装置包括吸盘弹簧秤加载装置和传感器支架加载装置两部分；结合图1，吸盘弹簧秤加载装置的组成包括刚性辅助支架1，连接于刚性辅助支架上的绳子2，串接在绳子上的紧线器3和弹簧秤4，连接在绳子另一端的吸盘5.吸盘吸附在桅杆围壁6上；结合图2，传感器支架加载装置的组成包括两个刚性辅助支架18，每个刚性辅助支架上安装有螺纹杆16，螺纹杆上安装力传感器15，两个力传感器之间连接加载支架12，每个螺纹杆的下端设置螺母17。加载支架的加载面11与桅杆围壁6之间设置薄沙袋13。
本发明的封闭式桅杆强度测量方法为：
1、测点布置及测试设备安装
先采用有限元方法对封闭式桅杆进行计算，在应力较大的位置布置应变片，在位移较大的位置布置位移计。应变片的安装方式为：先用砂纸把桅杆模型上应贴应变片的地方磨光并用丙酮清除其污垢，然后把应变片胶贴在相应的位置上，将导线一端与应变片焊在一起，用万用表测量导线另一端的阻值，直到与应变片相连的导线都可用为止，最后把电线与静态电阻应变仪相连，通过电阻应变仪的输出判断所有导线均有效连接。位移计的安装方式为：调节位移计机械机构至适当位置，使其探针位于测点处且与桅杆外板接触，安装后读取位移计初始数值。
2、拉力加载
根据桅杆设计载荷和吸盘承受能力选择合适的弹簧秤，并确定吸盘弹簧秤加载系统的数目，然后进行拉力加载，其实施方式为：首先将吸盘吸附在桅杆表面，然后与弹簧秤、紧绳器相连，通过绳子固定到刚性辅助支架上。拧动紧绳器调节弹簧秤读数，直至所有弹簧秤读数均达到试验设计载荷，测出桅杆的应力和位移响应。具体加载方式如图1所示。
3、压力加载
根据桅杆设计载荷选择合适的力传感器，然后进行压力加载，压力加载的实施方式为：首先对力传感器进行标定，根据设计载荷的范围逐级加载测出力传感器对应的输出值，用插值方法计算出施加设计压力载荷时力传感器对应的输出值，然后将加载支架放到桅杆上，使加载支架壁面和桅杆壁面完全接触，用扳手扭动螺母，待力传感器至输出值时，测出桅杆的响应，具体加载方式如图4所示。
4、数据处理
桅杆在风中运动时，根据受力性质的不同可将桅杆各面分为受压面和受拉面，测量方法2、3中已通过两种加载装置对各面进行了拉力和压力加载，测得了各面分别加载的应变响应。根据线性叠加原理，将桅杆各面加载的试验应变值代数累加，从而得到在所有载荷作用下的试验应变值，将累加的试验应变值代入材料的应力计算公式可求得试验的应力值(不同材料的应力计算公式不同，其具体公式可查材料力学手册得到)，从而实现桅杆模型试验的强度测试。
Claims (5)
1.一种封闭式桅杆强度测量方法，其特征是：
(1)测点布置及测试设备安装
先采用有限元方法对封闭式桅杆进行计算，在应力较大的位置布置应变片，在位移较大的位置布置位移计；
(2)测量桅杆在风中受拉力
采用吸盘弹簧秤加载装置，首先将吸盘吸附在桅杆表面，然后与弹簧秤、紧绳器相连，通过绳子固定到刚性辅助支架上，通过紧绳器调节弹簧秤读数，直至所有弹簧秤读数均达到试验设计载荷，测出桅杆的应力和位移响应；
(3)测量桅杆在风中受压力
采用传感器支架加载装置，首先对力传感器进行标定，根据设计载荷的范围逐级加载测出力传感器对应的输出值，用插值方法计算出施加设计压力载荷时力传感器对应的输出值，然后将加载支架放到桅杆上，使加载支架壁面和桅杆壁面完全接触，扭动螺母，待力传感器至输出值时，测出桅杆的响应；
(4)数据处理
用上述步骤测得各面分别加载的应变响应，根据线性叠加原理，将桅杆各面加载的试验应变值代数累加，得到在所有载荷作用下的试验应变值，将累加的试验应变值代入材料的应力计算公式得到试验的应力值，从而实现桅杆模型试验的强度测试。
2.根据权利要求1所述的封闭式桅杆强度测量方法，其特征是：所述的在应力较大的位置布置应变片的方法是：先用砂纸把桅杆模型上应贴应变片的地方磨光并用丙酮清除其污垢，然后把应变片胶贴在相应的位置上，将导线一端与应变片焊在一起，用万用表测量导线另一端的阻值，直到与应变片相连的导线都可用为止，最后把导线与静态电阻应变仪相连，通过电阻应变仪的输出判断所有导线均有效连接。
3.根据权利要求1或2所述的封闭式桅杆强度测量方法，其特征是：所述的在位移较大的位置布置位移计的方法为：调节位移计机械机构至适当位置，使其探针位于测点处且与桅杆外板接触，安装后读取位移计初始数值。
4.一种封闭式桅杆强度测量方法的专用测量装置，其特征是：包括吸盘弹簧秤加载装置和传感器支架加载装置两部分，所述的吸盘弹簧秤加载装置的组成包括刚性辅助支架，连接于刚性辅助支架上的绳子，串接在绳子上的紧线器和弹簧秤，连接在绳子另一端的吸盘；所述的传感器支架加载装置的组成包括两个刚性辅助支架，每个刚性辅助支架上安装有螺纹杆，螺纹杆上安装力传感器，两个力传感器之间连接加载支架，每个螺纹杆的下端设置螺母。
5.根据权利要求4所述的封闭式桅杆强度测量方法的专用测量装置，其特征是：加载支架的加载面与桅杆围壁之间设置薄沙袋。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20101020 Termination date: 20180403 |