船用实尺度结构模拟风力加载试验系统的制作方法

本发明涉及一种船用实尺度结构模拟风力加载试验系统，属于船舶与海洋工程结构领域。

背景技术：

舰艇的隐身性与轻量化成为当前舰艇发展的两个主要方向，具有高比刚度和比强度性能的复合材料能同时满足舰艇发展需求，舰船结构设计目前的研究趋势是一体化设计方向，以综合集成桅杆和一体化上层建筑为代表的舰船复合材料结构正是这种趋势的集中体现。作为甲板搭载结构，风载是服役期内的主要承受载荷，由其引发的变形问题可能严重影响结构的正常功能和安全性能，因此复合材料结构设计时必须考虑风载的影响。舰船大型复合材料结构设计一般采用积木式设计方法，实尺度验证试验必不可少，因此考查实尺度复合材料结构在风载作用下的响应问题也成为设计的必要过程。

考虑到复合材料结构缩比模型不能真实反映结构真实的应力应变状态，船用复合材料结构设计的可靠性试验验证一般采用实尺度模型，也因此面临复合材料结构整体加载的问题。通常情况下，针对结构表面风载等均布载荷一般采用气囊方法实现，这种加载方式首先利用附着的气囊实现均匀接触，根据气囊内部压强相同的特点将压载通过气囊均匀地传递载荷到接触表面，通过控制压载质量实现精确控制均布载荷的目的。该加载方式利用压载重力，适用于实验室内部的简单结构压载试验，但对于装配好的大型复合材料结构并不适用。对于船用大型结构风力模拟加载目前还没有较为明确的解决办法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了能够给船舶大型结构开展模拟风力加载的试验而提供一种船用实尺度结构模拟风力加载试验系统，能够实现对船舶实尺度结构特别是复合材料结构进行模拟风力加载。

本发明的目的是这样实现的：包括混凝土桩基、设置在混凝土桩基上的承台、承力结构、加载系统和剪力墙结构，所述承力结构通过法兰与设置在承台上的板材连接，所述剪力墙结构安装在剪力墙钢质底座上，剪力墙钢质底座通过预埋螺栓与设置在承台中的预埋件连接，加载系统由均匀设置在剪力墙结构和承力结构之间的加载装置组成，每个加载装置包括与承力结构的表面连接的吸盘、通过钢丝绳与吸盘连接的测力计、通过钢丝绳与测力计端部连接的可调整的牵引器，牵引器的端部通过钢丝绳与剪力墙结构上设置的开孔连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述剪力墙结构是由四个竖直工字梁和两个水平工字梁组成，且四个竖直工字梁中两个长工字梁位于两个短工字梁外侧，两根水平工字梁一上一下将四个竖直工字梁连接在一起，剪力墙结构上设置的开孔是指每个工字梁的翼板的两侧成列等间距设置的开孔。

2.承台与板材之间设置有起支撑作用的肘板。

3.所述吸盘为钢质盘，且与承力结构的连接方式为焊接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明试验装置的各部分零件采用工厂预制，采用现场高强螺栓连接及焊接方式固定连接，试验装置安装速度快。本发明不仅能够适用于简单平板结构的均布加载，也适用于大型复合材料结构及实尺度结构的均布加载问题，特别是模拟风力加载，具有较强的普适性和通用性的技术特点。本发明可通过改变加载装置吸盘形式及布置位置实现结构表面加载的可控性和准确性，也即本发明通过合理布置吸盘分布位置及系统调节加载装置牵引器端部螺栓伸出长度来控制加载装置所施加载荷的量值来模拟设计风载加载，每个加载位置处载荷值按照数值计算或实验方法得到。

附图说明

图1是模拟风力加载系统示意图；

图2a是图1中I部分的局部放大图，图2b是图2a的俯视方向示意图；

图3a、图3b分别是剪力墙结构的主视图、侧视图；

图4是本发明的模拟风力加载装置的示意图。

图中：1剪力墙结构；2牵引器；3测力计；4吸盘；5承力结构；6锁扣；7钢丝绳；8翼板开孔；9；肘板；10法兰盘；11螺栓；12混凝土桩基；13剪力墙预埋件；14工字型预埋件；15承台；16剪力墙钢质底座；17M90预埋螺栓。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，本发明主要包括加载装置和剪力墙结构，剪力墙结构为钢质工字梁加工装配而成，主要结构包括剪力墙1、剪力墙钢质底座16、剪力墙预埋件13、M90预埋螺栓17、混凝土桩基12构成。考虑到剪力墙1需承载整个加载系统的反作用力，因此剪力墙1的设计需具备足够的刚度，保证试验加载过程的安全，并减小结构自身变形对加载系统所施加载荷的影响。剪力墙1水平横截面为四根相同的钢质工字梁，每根工字梁的上下翼板两侧均设置一定数量的等间距开孔8，便于连接固定加载系统，并满足每套加载装置所施加载荷垂直于吸盘4所吸附的承力结构5表面，沿每根工字梁翼板与腹板间自下向上焊接等间距的横隔板作为结构补强，便于加载系统载荷的调节。四根垂向的工字梁通过两根同是工字梁的横梁焊接相连，剪力墙结构1底部进一步焊接在具有外形的剪力墙钢质底座16上。剪力墙钢质底座16通过8根在剪力墙预埋件13中的M90预埋螺栓17固定，保证剪力墙结构1的稳定性和可靠性，剪力墙预埋件13下方连接有混凝土桩基12。

本发明提供的加载装置为一串联结构，用以连接剪力墙1与复合材料承力结构5，旨在通过牵引器2调节承力结构5承受的表面压力载荷，并通过合理布置吸盘4分布形式模拟均布加载。加载系统是由多套加载装置组成，每套装置则由钢丝绳7与锁扣6、两端可调节的牵引器2、测力计3和吸盘4构成。通过钢丝绳7和锁扣6连接加载装置的各个部分，一端连接剪力墙翼板开孔8，另一端连接吸盘4端部。牵引器2主要通过调节自身螺栓伸出长度实现施加载荷大小的调整，并通过连接的测力计3读取当前加载的载荷量值；吸盘4主要通过排空盘面与承力结构5表面所形成的空腔中的气体产生的内外压差紧紧吸附在承力结构5表面，达到局部范围均布加载的效果。但这种吸附方式也被局限在一个大气压强的范围内，若要实现更大加载载荷的目的，需将吸盘4替换为钢质盘，并将盘面与承力结构5表面的接触方式改为胶接。加载系统加载方式为将加载装置的吸盘4按预先设定的分布形式吸附在承力结构5表面，再依次将加载装置另一端与吸盘4对应位置的剪力墙翼板开孔8连接，保证每套加载装置张紧时均与吸盘4吸附的承力结构5表面法向一致。通过调整牵引器2端部螺栓伸出长度来控制加载装置所施加载荷的量值，并通过与其连接的测力计3读取当前载荷。由于牵引器2两端螺栓均可调节的功能增大了载荷的调节范围，可抵消测力计3在加载过程中的伸长。与加载系统连接的承力结构5由承台15支承，预先设置在承力结构5与具有混凝土桩基12的承台15间的法兰盘10通过螺栓11固定，以达到固定承力结构5的目的。连接承台15与其上法兰盘10间的板材上有肘板9起到支承作用，并且板材下方连接位于承台15内的工字型预埋件14进一步增强其边界条件。

根据构件试验验证的风载量值确定复合材料承力结构5的极限承载范围，通过数值分析确定剪力墙1的外形尺寸和剪力墙翼板开孔8分布。将牵引器2、测力计3和吸盘4通过钢丝绳7和锁扣6依次连接形成单套加载装置，再将每套加载装置分别与复合材料承力结构5和剪力墙结构1相连，其中牵引器2靠近剪力墙1，通过调节牵引器2两端螺栓的伸出长度来控制载荷。

加载时首先调节吸盘4对应的牵引器2到达相应的载荷值，依次向外扩展调节所有加载装置。考虑到每套加载装置施加载荷时，所引起的结构变形会影响其余加载装置的张紧程度和载荷量值，因此需反复多次调节牵引器2直至结构承载载荷达到预定试验设计载荷，实现均布加载的效果。

本发明的模拟风力加载试验原理(单面加载或者结构加载)：

根据风洞试验结果或数值分析结果，将0°迎风角下舰船复合材料结构在不同设计风速下对应的载荷进行工程简化处理，得到结构表面的简化平均风载压力系数，通过计算得到模拟风力加载时所需要的风载值。

(1)若针对复合材料承力结构5整体加载，可将结构依照周向角分布划分为不同的垂向成组面，将简化后平均风载依次加载到对应的垂向成组单面上，并测定不同测点的应变和位移，最后根据叠加原理得到复合材料结构在某一设计试验风载下的应变和变形。

(2)若针对复合材料平板结构，直接在结构表面施加计算所得的风载，并测量相应位置的应变和变形即可。

剪力墙结构设计时主要考虑剪力墙1的承载变形。剪力墙结构高度应根据复合材料承力结构5特点合理选取，同时为保证结构的稳定性宜选用框架式结构，且在剪力墙1承载工字梁主体的腹板与翼板间焊接一定数量的横隔板以增强结构的局部刚度。为保证试验时施加在承载结构5表面的载荷方向为法向，在工字梁上下翼板两侧均设置一定数量的开孔8便于连接加载装置。剪力墙结构1焊接在剪力墙钢质底座16上，剪力墙钢质底座16与预埋在混凝土桩基12上的M90预埋螺栓17相连，需考虑其底座的刚度和强度问题。为保证试验加载过程中的可靠性，同时考虑混凝土桩基12表面的平整性和预埋螺栓17的垂直度问题，保证剪力墙结构安装达到预期加载状态。

模拟风力加载过程控制：通过钢丝绳7和锁扣6将牵引器2、测力计3和吸盘4依次相连形成一套完整的加载装置，再将每套加载装置按照一定的编组顺序依次分别与承力结构5和剪力墙1上的翼板开孔8连接。调整面板中心对应的加载装置至试验设计风载，并依次向外扩展调整其他各套加载装置，调整完毕再按照既定程序顺次微调所有加载装置直至所有加载装置的载荷达到设计量值，实现模拟风力加载的效果。

综上，本发明提供了一种适用于船用实尺度结构具备较强通用性和实用性的模拟风力加载系统，该加载试验装置包括加载系统和剪力墙结构两大部分，其中加载系统由多套加载装置组成，每套加载装置主要包括钢丝绳7与锁扣6、牵引器2、测力计3和吸盘4；剪力墙1用以承担加载系统的反作用载荷，焊接于剪力墙钢质底座16上，剪力墙钢质底座16通过预埋于混凝土桩基12的M90预埋螺栓17同混凝土桩基12连接。本发明能够实现对结构设计载荷特别是设计风载的加载，通过系统调节各加载装置载荷量值，实现对结构加载的控制，具有结构简单，有效实用，安装便捷等优点，可满足船用实尺度结构模拟风力的加载。