水翼动态应力测试及结果分析

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水翼是水翼艇的重要组成部件。翼航时水翼结构支撑着艇的全部重量,在波浪中还会受到附加脉动载荷的作用,出水时又遭到波浪的严重冲击,而水翼的结构形式和和重量受到总体性能的限制,因此水翼强度成为水翼结构设计中一个突出的问题。某公司水翼客艇先后出现水翼裂纹,为了发展水翼技术,提高水翼结构设计水平,有必要对水翼在波浪中的实际强度进行测试和研究。

现对两艘单水翼艇实艇水翼进行应力测试,完整地获得了该水翼的起飞应力、静水工作应力、波浪脉动应力和瞬态冲击应力,为水翼结构设计和强度研究提供了较有价值的实测资料。

试验概况

两艘测试艇编号分别为1号和2号。艇的排水量约40t,静水最大航速为54kn。在2-3级浪中,艇的巡航速度约40kn。水翼为浅浸式割划水翼,可收放。

两艘艇进行了静水试验和波浪试验。在静水试验中测量了水翼的起飞-翼航-着水的应力过程,测量了二级浪和三级浪中翼航时水翼的工作应力。

1号艇布置了6个测点,2号艇布置了14个测点。应变片粘贴于叶背处,每点贴两片;一片沿展长方向,另一片沿弦长方向;前者是工作片,后者为补偿片。水翼弯曲时,记录的应力比实际应力放大了(1+μ)倍。

对应变片和导线采取了有效的保护措施。经过一个半月的水下作业,和20多个小时的航行冲刷,应变片和导线保持完好,绝缘电阻在50MΩ以上。

静水应力

由艇在静水中起飞-翼航-着水过程中的水翼应力记录曲线可见,在起飞过程中,水翼应力逐渐上升,当转速达到1850r/min时,应力达到最大值。着水过程则相反,应力从最大值回到零。记录曲线有些波动,这是因为水面有小的起伏,而浅浸式水翼接近自由液面,来流的很小变化也会使升力受到影响。

主水翼静水应力给出了应用框架理论获得的主水翼应力分布曲线和最大试验值。在跨距中点最大试验值为100.8MPa,计算值为107.4MPa,实测应力与计算应力较为吻合。在中间支柱处,最大试验值为125.2MPa,计算值为136.1MPa,计算值比试验值高8.7%。由此可见,水翼在静水中的工作应力完全可用框架理论进行计算,其误差小于10%,且偏于安全。

波浪应力

当艇在波浪中航行时,水翼应力发生不规则变化。从二级浪中水翼应力记录曲线可看出,水翼在波浪中应力由稳定的静态应力和波浪脉动应力两部分组成,前者由稳定升力产生,后者由脉动升力产生。根据试验结果,该艇最大应力出现在靠近中间支柱的主水翼剖面,其值为120.5MPa,其中稳定部分的应力为85.8MPa,最大脉动应力为34.7MPa。在二级浪中,水翼的应力与静水试验应力非常接近,这种情况可作如下解释:该艇静水试验时,航速为54Kn(最高航速),在二级浪中试航速度为40Kn(巡航速度),航速降低了26%,而单水翼艇的水翼负荷随着航速的降低而减小,则水翼的稳定应力减小,因此,虽然波浪附加应力增加了,但总应力仍保持原来的应力水平。

水翼的波浪脉动应力变化频率为30-200Hz,脉动应力的最大半幅值约占稳定应力的40%,水翼的疲劳损伤主要是由这种变化应力引起的。设计时需根据艇的使用海区波浪条件和使用年限对水翼结构进行疲劳强度的校核。

波浪冲击应力

在三级浪中,水翼应力除了不规则变化分量外,还出现因水翼出水而产生的严重的冲击应力。从三级浪中水翼应力记录曲线可看出,在13min的记录纸上,出现了41次冲击,平均3.2次/min。冲击最频繁的区域,相邻两次冲击的时间间隔为2s。冲击应力增长时间为0.01-0.02s。当应力达到最大值后随即成为自由衰减振动,频率约40HZ。振动6-8次后完全衰减,间隔2-30s后继而进行第二次冲击。靠近中间支柱处,测得冲击时最大应力为-177.6MPa,是在静水高速航行时最大应力的1.42倍,比艇在二级浪中以巡航速度航行时高出47%。

结论

1.1号和2号艇在二级浪中以巡航速度航行实测表明,水翼应力由稳定应力和波浪脉动应力两部分组成,总应力与艇在静水中以最高速度航行时的应力水平基本相同。此时应力水平不高,不会对强度造成威胁。但由于存在脉动应力(约占30%),且在艇使用期内经常会遇到这种海况,因而可能产生累积疲劳损伤。

2.两艇在三级浪中水翼经常出水,水翼结构受到波浪严重冲击,最大应力为静水航行时的1.5倍左右。因此,必须在这种航行条件下对水翼结构强度进行校核。

3.可按框架模型对水翼在静水航行时的工作应力进行计算,误差小于10%。