一种超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法技术

本发明专利技术涉及一种超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法，包括以下步骤：1)构建耦合结构有限元模型；2)通过静力学分析获得耦合结构原型的平均刚度，并通过动力学模态分析获得耦合结构原型的低阶模态频率和振型；3)绑扎桥结构的等效变换；4)横舱壁结构的等效变换；5)构建绑扎桥和横舱壁耦合结构的缩尺模型；6)搭建绑扎桥结构静力学试验装置，进行静力学试验；7)搭建模态试验装置，并进行模态试验；8)进行试验结果与数值模拟结果对比分析并修正有限元模型。与现有技术相比，本发明专利技术能快速有效的侦测到装箱船绑扎桥的刚度、低阶固有频率及振型特征，克服原型结构试验测试过程中，对场地、加载设备、人员和经费等需求较高的限制。

【技术实现步骤摘要】
一种超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法
本专利技术涉及机械制造及结构力学领域，尤其是涉及一种在实验室条件下实现超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法。
技术介绍
传统的绑扎桥结构一般由方管或带有上下平台的组合立柱支撑组成，用以抵抗甲板上集装箱堆垛因船舶运动产生的惯性力矩。对于大型和超大型集装箱船，甲板上的集装箱堆垛已经超过12层，且占据总装箱数的60％以上。绑扎桥的设计不仅关系到船舶的实际装箱数和货物堆重布置的灵活性，还会影响到船舶主尺度的选择。为了提高经济效益，扩大装箱数目，绑扎桥结构的长度越来越长，但是宽度始终不超过1.2m，绑扎桥的高度从现有的一层和二层增加至四层和五层高度的绑扎。以一条已经通过验审的20000TEU集装箱船尾部绑扎桥结构为例，绑扎桥总长约58.325m，高约13.871m，宽度为1.250m，重量达到72t。因此，超大型集装箱船的绑扎桥结构的体积和质量越来越大，长宽比较大的结构特征也越来越明显。近年来，设计人员逐渐采用轻量化的设计方案，比如绑扎桥立柱由原来的均值壁厚的矩形钢管改为不同壁厚的矩形钢管进行分段焊接而成；立柱由矩形方管改为工字型结构，这种设计在降低绑扎桥结构重量的同时，增加了制造工艺的复杂程度。目前对绑扎桥结构力学特性的探究，主要是采用有限元方法。各船级社对绑扎桥有限元模型构建的细节进行了不同程度的说明。比如中国船级社(CCS)规范定义绑扎桥有限元网格大小100mm，绑扎桥立柱支撑的根部定义全约束，忽略横舱壁结构对绑扎桥的影响。对于绑扎桥结构的静强度校核过程中，CCS规范定义绑扎力的大小为175KN，LR规范定义上层的绑扎力定义为绑扎杆安全工作载荷(245kN)的75％，下层绑扎点的绑扎力为安全工作载荷的50％。绑扎桥结构属于大型舾装件，而20000TEU尾部绑扎桥单侧绑扎点数目就高达一百个，因此，在原型结构上展开静力学实验测量是非常困难的。并且在实际的海洋运输过程中，绑扎桥往往表现出较高的振动响应，在探究结构的模态特征时，直接对笨重的原型结构进行激振，需要提供足够的激振力和布置足够多的传感器，这在现实条件下几乎是不可能实现的。绑扎桥结构的CAE分析是绑扎桥结构设计的重要一环，但是对于新型设计的绑扎桥仍然需要进行试验验证。一方面用于验证数值结果的准确性及数值模型的修正，另一方面探究绑扎桥结构最真实的力学行为。但是目前的规范和研究忽略了横舱壁结构为绑扎桥提供的弹性边界条件。绑扎桥在参与堆垛系固工作时，整体体现的刚度应该是横舱壁和绑扎桥共同体现出来的，横舱壁的建模范围应该得到确认。海运过程中，当遭遇恶劣天气时，绑扎系统的失效将导致集装箱丢失事故。绑扎桥的刚度应当得到确认，但是不同的规范对绑扎桥结构刚度的建议值差异性比较大。比如，LR规范建议一层绑扎桥的平均刚度为20kN/mm，两层绑扎桥的平均刚度为15kN/mm，三层绑扎桥的平均刚度为10kN/mm，四层绑扎桥的平均刚度为5kN/mm。BV规范将绑扎系统(包含绑扎桥、绑扎杆和花篮螺丝等)的刚度定义为绑扎组件(绑扎杆和花篮螺丝)的刚度乘以一个缩减系数，这个缩减系数的取值与绑扎桥和绑扎方式有关，总体来讲，对于绑扎桥和绑在系统刚度的定义都是非常粗糙的，而绑扎桥的刚度直接影响运输过程中堆垛的动态响应和安全，在指定绑扎计划之前，应该以试验和更严格的数值模拟确认绑扎的刚度，但是国内外在此方面的研究尚没有突破性进展。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法，包括以下步骤：1)根据绑扎桥和横舱壁的结构特征参数，构建包含不同横舱壁结构范围下耦合结构的有限元模型；2)根据工况和边界条件，通过静力学分析获得耦合结构原型的刚度特征，即平均刚度，并通过动力学模态分析获得耦合结构原型的模态属性，即低阶模态频率和振型；3)根据相似原理，进行绑扎桥结构的等效变换；4)进行横舱壁结构的等效变换；5)给定缩尺比，构建绑扎桥和横舱壁耦合结构的缩尺模型；6)搭建绑扎桥结构静力学试验装置，布置位移传感器并进行静力学试验；7)搭建模态试验装置，布置加速度传感器并进行模态试验；8)进行试验结果与数值模拟结果对比分析并修正有限元模型。所述的步骤1)中，耦合结构的有限元模型为绑扎桥和横舱壁的1:1有限元模型，采用板、梁单元相结合的方式构建，横舱壁不同结构范围包括高度分别为0.0m、3.0m、7.3m和完整弧形分段的横舱壁，有限元模型主要采用板、梁单元相结合的方式，网格大小按照CCS船级社规范要求为100-150mm，部分结构网格细化，比如绑扎点位置，绑扎桥和船体结构的相连接的部位等。所述的步骤2)中，平均刚度的计算式为：其中，KBY为绑扎桥整体结构平均刚度，FYi为第i个绑扎点y方向的分力，δYi为第i个绑扎点y方向的应变，N表示总绑扎点的个数。所述的步骤3)中，绑扎桥结构为通过焊接构建的板架结构，进行绑扎桥结构的等效变换具体为：对于由不同壁厚的矩形方管焊接而成的立柱支撑，将不同分段的矩形钢管等效为统一壁厚的矩形钢管；对于剪力墙结构，则将不同厚度的板拼焊在一起，其中，厚板位于下侧，薄板位于上侧。对于由不同结构尺寸特征拼焊而成的工字型结构的立柱支撑，立柱支撑下部的工字型结构的腹板和面板比较厚，上侧的工字型结构的腹板和面板比较薄。所述的步骤4)中，横舱壁结构作为绑扎桥的弹性边界条件，在试验过程中被固定到地基上，横舱壁结构的等效变换具体为：将横舱壁结构等效为一块平直的钢板。所述的步骤6)中，绑扎桥结构静力学试验装置包括液压油泵、液压油缸、钢丝绳、U型长横梁、工字型短横梁、加载钢丝绳、滑轮、耦合结构试验模型、拉力传感器和位移传感器，在静力学试验过程中，以液压油泵为动力源驱动液压缸，钢丝绳绕过U型长横梁和工字型短横梁上的滑轮后，连接绑扎桥的绑扎眼板，实现对绑扎桥施加绑扎力，静力学试验的测量数据为绑扎桥整体结构最大位移变形，具体包括：绑扎桥总体结构最大位移点的X方向位移，即绑扎桥长度方向的位移；绑扎桥总体结构最大位移点的Y方向位移，即绑扎桥宽度方向的位移。当绑扎桥包含多层绑扎时，通过调整U型长横梁及其上的滑轮位置，保证绑扎力方向的准确性，通过工字型短横梁调整U长横型梁的高度，以实现对不同高度的绑扎眼板的加载。当绑扎桥结构的绑扎点分布在不同的高度时，在试验过程中将绑扎点分为多组，每次加载部分绑扎点，将最后测量结果采用叠加原理进行处理。所述的步骤7)中，在模态试验过程中，沿绑扎桥长度方向布置多个压电式加速度传感器，采用单点激励多点响应的方式，通过数据采集仪和多通道电荷放大器对信号进行采集、放大和过滤，通过计算机获得传递函数和功率谱，最终得到耦合结构试验模型被激振后的模态频率及模态振型。以相似理论为基础，釆用的相似比和相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)根据绑扎桥和横舱壁的结构特征参数，构建包含不同横舱壁结构范围下耦合结构的有限元模型；/n2)根据工况和边界条件，通过静力学分析获得耦合结构原型的刚度特征，即平均刚度，并通过动力学模态分析获得耦合结构原型的模态属性，即低阶模态频率和振型；/n3)根据相似原理，进行绑扎桥结构的等效变换；/n4)进行横舱壁结构的等效变换；/n5)给定缩尺比，构建绑扎桥和横舱壁耦合结构的缩尺模型；/n6)搭建绑扎桥结构静力学试验装置，布置位移传感器并进行静力学试验；/n7)搭建模态试验装置，布置加速度传感器并进行模态试验；/n8)进行试验结果与数值模拟结果对比分析并修正有限元模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据绑扎桥和横舱壁的结构特征参数，构建包含不同横舱壁结构范围下耦合结构的有限元模型；
2)根据工况和边界条件，通过静力学分析获得耦合结构原型的刚度特征，即平均刚度，并通过动力学模态分析获得耦合结构原型的模态属性，即低阶模态频率和振型；
3)根据相似原理，进行绑扎桥结构的等效变换；
4)进行横舱壁结构的等效变换；
5)给定缩尺比，构建绑扎桥和横舱壁耦合结构的缩尺模型；
6)搭建绑扎桥结构静力学试验装置，布置位移传感器并进行静力学试验；
7)搭建模态试验装置，布置加速度传感器并进行模态试验；
8)进行试验结果与数值模拟结果对比分析并修正有限元模型。


2.根据权利要求1所述的一种超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法，其特征在于，所述的步骤1)中，耦合结构的有限元模型为绑扎桥和横舱壁的1:1有限元模型，采用板、梁单元相结合的方式构建，横舱壁不同结构范围包括高度分别为0.0m、3.0m、7.3m和完整弧形分段的横舱壁。


3.根据权利要求1所述的一种超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法，其特征在于，所述的步骤2)中，平均刚度的计算式为：



其中，KBY为绑扎桥整体结构平均刚度，FYi为第i个绑扎点y方向的分力，δYi为第i个绑扎点y方向的应变，N表示总绑扎点的个数。


4.根据权利要求1所述的一种超大型集装箱船绑扎桥结构力学行为的测试方法，其特征在于，所述的步骤3)中，绑扎桥结构为通过焊接构建的板架结构，进行绑扎桥结构的等效变换具体为：
对于由不同壁厚的矩形方管焊接而成的立柱支撑，将不同分段的矩形钢管等效为统一壁厚的矩形钢管；
对于剪力墙结构，则将不同厚度的板拼焊在一起，其中，厚板位于下侧，薄板位于上侧。
对于由不同结构尺寸特征拼焊而成的工字型结构的立柱支撑，立柱支撑下部的工字型结构的腹板和面板比较厚，上侧的工字型结构的腹板和面板比较薄。


5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德禹，李春通，马宁，蔡忠华，李喆，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31