CN103308273A - 大型封闭结构受风载作用刚度强度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供大型封闭结构受风载作用刚度强度测试方法，首先布置应变测点和位移测点，然后布置加载点，再次安装大出力模拟风力加载系统，最后进行数据处理，对风载拉力部分的数据进行反方向处理，依据线性叠加原理，对压力数据和处理过的拉力数据进行叠加，实现同时考虑拉力和压力作用的大型封闭结构响应的测试。本发明可靠、经济、易操作、精度高，解决了船体上层建筑中大型封闭结构风力作用下的刚度强度测试无法开展的难题。

Description

大型封闭结构受风载作用刚度强度测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种测试方法，具体地说是强度测试方法。

背景技术

船舶设计风速较高，加上大型封闭式结构的受风面积大，其承受的风载的作用较大。许多重要部位出于隐身、减重等因素的考虑，采用了薄壁无加强筋结构，刚度较低，尤其是采用复合材料的部位（桅杆等）刚度较低，在风载作用下存在刚度强度问题，需要进行考核。

由于大型封闭结构的尺度较大，现有的风洞无法进行大型封闭结构的风载测试。采用缩比模型风洞试验可以对其风载特性进行研究，但无法反映大型封闭结构的结构响应。为对大型封闭结构在风载作用下的结构安全性进行考核，需要寻求新的试验方案。

发明内容

本发明的目的在于提供解决了船体上层建筑中大型封闭结构风力作用下的刚度强度测试无法开展的难题的大型封闭结构受风载作用刚度强度测试方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明大型封闭结构受风载作用刚度强度测试方法，其特征是：

（1）布置应变测点和位移测点：

确定不同工况下大型封闭结构中所关注区域的应力分布，将所关注部位确定为最终的应变测点；依据风载作用下大型封闭结构的变形特征布置位移测点，封闭结构外板变形由变形最大位置处向外辐射，位移梯度在靠近板变形最大位置处大，在该位置布置位移测点；

（2）布置加载点：

利用多点加载代替均匀加载，且两种加载最大变形和最大应力相差不超过5%，在满足大出力加载系统承载能力的条件下，确定加载点数量，依据加载点数量，将加载面均分，得到加载点的具体位置；

（3）安装大出力模拟风力加载系统：

大出力模拟风力加载系统包括反力支架和大出力加载装置，大出力加载装置一端通过钢制圆盘粘贴到大型封闭结构上，另一端与反力支架相连接，反力支架固定在基座上，反力支架为内置式；

（4）数据处理：

通过静态应变采集仪记录应变测点的应变响应，通过千分尺测量位移测点的位移响应，并记录数据，通过材料应力应变关系将应变数据转化成应力，依据材料强度进行结构强度的分析，即结构的最大承载能力分析，通过记录位移测点的挠度，依据大型封闭结构刚度设计准则进行结构刚度的分析判断，即结构的最大变形分析，对于只承受拉力或压力作用的区域，直接通过所测得的应变和位移进行分析，对于同时存在拉力作用和压力作用的区域，用风载压力代替风载拉力，通过大出力加载装置分别施加拉力和压力载荷，分别测试这两种条件下结构的应变和位移响应，对风载压力代替风载拉力测试的响应数据进行反方向处理，然后对拉力作用和压力作用下结构的应变和位移响应进行叠加，最终得到同时存在拉力和压力条件下结构的应变和位移响应。

本发明还可以包括：

1、反力支架的最大变形符合以下要求：

${\mathrm{\ω}}_f\≤\frac{1}{3}{\mathrm{\ω}}_s$

其中ω_f为反力支架的最大变形，ω_s为结构的最大变形。

2、所述的钢制圆盘表面除锈，表面平整光滑；大型封闭结构表面与钢制圆盘进行粘贴的区域通过砂纸进行打磨，该区域经过打磨后，用丙酮进行表面清理，丙酮清理完成以后等到清洗的表面干燥以后再进行粘贴；对于在潮湿环境中使用大出力加载系统，通过在圆盘边缘涂抹704防水胶进行防水处理。

本发明的优势在于：本发明可靠、经济、易操作、精度高，解决了船体上层建筑中大型封闭结构风力作用下的刚度强度测试无法开展的难题。

附图说明

图1为反力支架内置加载示意图；

图2为大出力模拟风力加载系统加载示意图；

图3为压力和拉力联合作用测试原理图。

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：

结合图1～3，本发明的具体步骤为：

1、测点布置

测点布置包括测点数量及位置的确定，测点类型包括位移测点和应变测点。

（1）应变测点数量及位置通过以下方法确定

通过数值仿真方法，确定不同工况下大型封闭结构中所关注区域的应力分布，并根据工程需要将所关注部位确定为最终的应变测点。应变测点的数量要覆盖测试面应力较大的位置，同时考虑应变采集仪通道的上限。为减小环境对测试的影响考虑将应变测点布置在内部，布置应变测点时考虑应变片与加载系统加载点的干涉问题。对应变测点进行编号，以方便数据采集。

（2）位移测点数量及位置通过以下方法确定

位移测点的布置要依据风载作用下大型封闭结构的变形特征。通过数值仿真的方法，确定不同工况条件下结构的变形特征，在变形最大位置处到结构边界之间确定能反映结构挠曲面所需要的最少的测点数。封闭结构外板变形由变形最大位置处向外辐射，位移梯度在靠近板变形最大位置处较大，在该位置附近布置较密的测点。对位移测点进行编号，以方便数据采集。

（3）应变片通过以下方法进行安装

粘贴应变片前，测试应变片电阻，确保应变片基本参数可靠。对应变测点进行打磨和清洗，待打磨表面干燥后进行应变片的粘贴。测试相同长度导线电阻进行测试，保证测试导线的一致性。将导线的一端与应变片测试进行焊接，将焊接位置用塑胶管和绝缘胶带进行密封处理，用万用表测试导线另一端的电阻值，保证应变片和导线连接可靠。最后将测试导线的另一端连接到应变采集仪上，调试设备，采集零点。

（4）位移测试调试方法

布置弹力绳，使得弹力绳处于张紧状态，以便最大限度消除弹力绳自重的影响。纵向和横向弹力绳的交点为预先设定的测点位置。测试开始前弹力绳处于紧绷状态，确保试验加载前弹力绳紧贴到测试面，标记零点。

2、加载点的布置

载点均匀布置在大型封闭结构加载面上。为保证多点加载代替均布加载的准确性，同时消除钢制圆盘的粘贴对大型封闭结构刚度强度的影响，加载点尽量少。利用数值仿真方法分析多点加载代替均匀加载以后，保证两种加载条件下最大变形和最大应力相差不超过5%，保证载荷施加方法的准确性；同时考虑大出力加载系统的承载能力，确定满足精度要求的加载点数量。依据加载点的数量，将加载面均分，得到加载点的具体位置。

3、大出力模拟风力加载系统

大出力模拟风力加载系统包括：反力支架和大出力加载装置

（1）反力支架

大出力模拟风力加载系统大出力装置一端通过钢制圆盘粘贴到结构上，另一端与反力支架相连接。

①规范设计依据

反力支架的结构设计依据《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)、《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)、《钢结构设计规范》(GB50017-2003)进行设计，以实用、坚固、经济与方便施工的理念进行设计。反力支架孔位布置满足风力加载系统与加载面的夹角与直角的最大偏差不超过2°。

②反力支架的设计要保证刚度强度的基本要求，确保安全性。同时，为保证测试的精度，反力支架的最大变形要符合以下要求：

${\mathrm{\ω}}_f\≤\frac{1}{3}{\mathrm{\ω}}_s$

其中：ω_f-----反力支架的最大变形；

ω_s-----结构的最大变形。

③布置方式

设计风速作用下结构为线性系统，在拉力和压力作用下结构的变形和应力效果一致。通过将反力支架内置，对结构施加拉力实现风载的模拟。与反力支架外置相比，将反力支架内置大大降低了操作难度和反力支架的制造成本，具有可靠性高、易操作的优势，客服了大型封闭结构实验操作性差的难点。

（2）大出力加载装置

安装大出力装置之前，先将反力支架及大型封闭结构模型吊装到相应位置。先将大出力模拟风力加载装置的钢制圆盘粘贴到加载点标记的位置，然后连接紧线器-测力计-钢质圆盘，组装成大出力模拟风力加载系统。将模拟风力加载系统的另一端连接到反力支架相应的位置，保证加载系统与结构加载面垂直。旋进紧线器施加载荷，通过测力计观察施加载荷的大小，确保载荷施加正确。

大出力加载系统通过紧线器实现力的施加，力的测量通过测力计读出。紧线器、测力计、加载系统施加的力之间相互影响，要综合考虑，需要满足以下技术要求：

1）测力计的量程要大于加载系统施加的力。

2）为降低施加力的误差，测力计的量程与加载系统施加的力要在同一个量级，并且尽量接近量程。

3）力的加载通过紧线器实现，紧线器的施力范围要大于测力计最大量程时的伸长距离，否则将不能施加到所需的加载力。

4）测力计使用前要进行标定。

5）大出力模拟风力加载系统通过多个自锁圆环环环相扣的方法实现较大范围距离的调整；通过紧线器和钢丝绳连接方式实现较小范围距离的调整。

大出力加载装置与结构加载面的粘贴技术是本发明的关键技术之一，为保证粘贴质量，需要对加载系统的粘贴方式进行设计，采用如下方法进行：

①形状的确定

对于大出力加载系统钢制圆盘的形状依据结构在风载作用下变形特征确定。在风载作用下和多点集中力作用下，结构外板垂向变形呈现近似圆形的放射形状，因此需要将钢制粘贴片设计成圆形，以确保其形状与结构变形趋势一致，减少因局部曲率过大导致粘贴位置脱胶的现象。

②厚度的确定

钢制圆盘的厚度要尽量小，减少圆盘自身对结构的影响，同时最大限度的降低成本。钢制圆盘要满足强度要求，考虑加工工艺的要求，最终确定钢制圆盘的厚度为3mm。

③钢制圆盘粘贴技术要求

钢制圆盘的粘贴技术是大出力模拟风力加载系统的关键技术之一，直接影响加载能否实施，圆盘的粘贴技术需要满足以下要求：

1）圆盘表面除锈，表面平整光滑。

2）结构表面与钢制圆盘进行粘贴的区域通过砂纸进行打磨。为提高打磨效率，先用较粗糙的砂纸初步打磨，再用较细的砂纸进行最终的打磨。

3）打磨完成以后，需要用丙酮进行表面清理，防止杂质影响粘贴的质量。丙酮清理完成以后要等到清洗的表面干燥以后再进行粘贴，防止残留的水分腐蚀钢制圆盘，降低粘贴质量。

4）对于在潮湿环境中使用大出力加载系统，通过在圆盘边缘涂抹704防水胶进行防水处理，防止潮湿空气锈蚀粘贴表面，对粘贴质量造成不利影响，影响试验实施的可靠性。

5）为克服大变形和大出力特点，保证实验方法的安全性和可行性，对10种高强度胶进行测试，最终选择AB胶。

4、数据处理

通过静态应变采集仪记录应变测点的应变响应，通过千分尺测量位移测点的位移响应，并记录数据。通过材料应力应变关系将应变数据转化成应力，依据材料强度进行结构强度的分析，即结构的最大承载能力分析；通过记录位移测点的挠度，依据大型封闭结构刚度设计准则进行结构刚度的分析判断，即结构的最大变形分析。对于只承受拉力或压力作用的区域，直接通过所测得的应变和位移即可进行分析；而对于同时存在拉力作用和压力作用的区域，用风载压力代替风载拉力，通过大出力加载装置分别施加拉力和压力载荷，分别测试这两种条件下结构的应变和位移响应，对风载压力代替风载拉力测试的响应数据进行反方向处理，然后对拉力作用和压力作用下结构的应变和位移响应进行叠加，最终得到同时存在拉力和压力条件下结构的应变和位移响应。

Claims (3)

1.大型封闭结构受风载作用刚度强度测试方法，其特征是：

（1）布置应变测点和位移测点：

确定不同工况下大型封闭结构中所关注区域的应力分布，将所关注部位确定为最终的应变测点；依据风载作用下大型封闭结构的变形特征布置位移测点，封闭结构外板变形由变形最大位置处向外辐射，位移梯度在靠近板变形最大位置处大，在该位置布置位移测点；

（2）布置加载点：

利用多点加载代替均匀加载，且两种加载最大变形和最大应力相差不超过5%，在满足大出力加载系统承载能力的条件下，确定加载点数量，依据加载点数量，将加载面均分，得到加载点的具体位置；

（3）安装大出力模拟风力加载系统：

大出力模拟风力加载系统包括反力支架和大出力加载装置，大出力加载装置一端通过钢制圆盘粘贴到大型封闭结构上，另一端与反力支架相连接，反力支架固定在基座上，反力支架为内置式；

（4）数据处理：

通过静态应变采集仪记录应变测点的应变响应，通过千分尺测量位移测点的位移响应，并记录数据，通过材料应力应变关系将应变数据转化成应力，依据材料强度进行结构强度的分析，即结构的最大承载能力分析，通过记录位移测点的挠度，依据大型封闭结构刚度设计准则进行结构刚度的分析判断，即结构的最大变形分析，对于只承受拉力或压力作用的区域，直接通过所测得的应变和位移进行分析，对于同时存在拉力作用和压力作用的区域，用风载压力代替风载拉力，通过大出力加载装置分别施加拉力和压力载荷，分别测试这两种条件下结构的应变和位移响应，对风载压力代替风载拉力测试的响应数据进行反方向处理，然后对拉力作用和压力作用下结构的应变和位移响应进行叠加，最终得到同时存在拉力和压力条件下结构的应变和位移响应。

2.根据权利要求1所述的大型封闭结构受风载作用刚度强度测试方法，其特征是：反力支架的最大变形符合以下要求：

${\mathrm{\ω}}_f\≤\frac{1}{3}{\mathrm{\ω}}_s$

其中ω_f为反力支架的最大变形，ω_s为结构的最大变形。

3.根据权利要求1或2所述的大型封闭结构受风载作用刚度强度测试方法，其特征是：所述的钢制圆盘表面除锈，表面平整光滑；大型封闭结构表面与钢制圆盘进行粘贴的区域通过砂纸进行打磨，该区域经过打磨后，用丙酮进行表面清理，丙酮清理完成以后等到清洗的表面干燥以后再进行粘贴；对于在潮湿环境中使用大出力加载系统，通过在圆盘边缘涂抹704防水胶进行防水处理。

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