阅读说明：本技术 一种用于船体甲板及舷侧开口结构的轴向冲击试验装置 (Axial impact test device for hull deck and side opening structure ) 是由 孔祥韶 翟金柱 周红昌 吴卫国 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及船舶与海洋工程专业船模试验技术领域,特指一种用于船体甲板及舷侧开口结构的轴向冲击试验装置,包括地基基础,地基基础上固定有待受轴向冲击的船体甲板及舷侧开口结构,船体甲板及舷侧开口结构的外侧设有支撑装置一,支撑装置一的外侧设有支撑装置二,船体甲板及舷侧开口结构顶部设有过渡梁,过渡梁与支撑装置一对应设置,支撑装置二上设有冲击组件,冲击组件与过渡梁对应设置,船体甲板及舷侧开口结构的前方设有用于观察试验过程中船体甲板及舷侧开口结构变形的DIC设备。通过对船体及舷侧开口结构施加冲击载荷来实现模拟舰船受到水下爆炸瞬时大量级的冲击载荷的影响,对研究舰船的抗毁伤能力和毁伤效能分析具有巨大的指导性意义。(The invention relates to the technical field of ship and ocean engineering professional ship model tests, in particular to an axial impact test device for a ship deck and a broadside opening structure, which comprises a foundation base, wherein the ship deck and the broadside opening structure to be axially impacted are fixed on the foundation base, a first supporting device is arranged on the outer side of the ship deck and the broadside opening structure, a second supporting device is arranged on the outer side of the first supporting device, a transition beam is arranged at the top of the ship deck and the broadside opening structure, the transition beam and the supporting device are correspondingly arranged, an impact assembly is arranged on the second supporting device, the impact assembly and the transition beam are correspondingly arranged, and DIC equipment for observing deformation of the ship deck and the broadside opening structure in the test process is arranged in front of the ship deck and the broadside opening structure. The influence of the impact load of the ship on the instantaneous large magnitude of underwater explosion is simulated by applying the impact load to the ship body and the side opening structure, and the method has great instructive significance for researching the damage resistance and damage efficiency analysis of the ship.)

一种用于船体甲板及舷侧开口结构的轴向冲击试验装置

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程专业船模试验技术领域，特指一种用于船体甲板及舷侧开口结构的轴向冲击试验装置。

背景技术

由于各国针对全球范围内海洋资源的争夺变得日益白热化，因此局部区域随时都可能会爆发海战。水面舰艇作为海战的主战力量,其抵抗近距离的水下炸弹、鱼雷等水中兵器***冲击的能力则显得尤为重要，此外水下潜艇、登陆舰艇和扫雷舰艇等军事作业平台，在执行任务时亦容易遭受破坏性武器的袭击。以往诸多的海战显示,大型水面舰艇在受到单枚重型鱼雷的攻击就会因完全丧失总纵强度而沉没,因此世界各海军强国都十分关注舰艇结构的抗爆抗冲击研究，避免舰船结构在水下***作用下产生严重破坏。

水中兵器在水中***瞬间会产生强冲击波，接着***产物继续膨胀形成气泡。因此水下***载荷作用下舰船结构的抗冲击性能、船体结构的塑性变形以及气泡脉动载荷造成舰船的鞭状运动等物理现象是舰船生命力研究的主要内容。当海军战斗舰艇遭受到水下***形成的冲击波后，最突出关注的薄弱环节应是舰艇船体结构和艇上许多重要设备及装置的抗冲击性能，因此讨论舰船设备的抗冲击性能成为研究舰船抗爆性能的一个重要方面。

只有获得舰船受到水下***载荷前后的结构响应特征和规律后，在水下***作用下舰船结构才会降低产生严重的破坏概率，增强设备的抗冲击能力，提高舰船生命力，按时完成指定任务。总的来说，对水面舰船受到水下***载荷作用的过程和机理以及对舰船结构的损伤过程和机理研究，无疑是提高舰船生命力的重要途径，研究舰船的抗毁伤能力对武器系统设计、毁伤效能分析等也具有巨大的指导性意义。

发展至今有关于如何准确模拟水下***载荷来预报舰船结构的损伤过程已经取得了长足的进步，形成了几大系统的研究方法。模型试验的研究方法作为其中重要的成员在水下***研究领域发挥着重要的作用，从试验结果中能直观地了解到舰船在遭受水下***载荷后的变形和损伤程度，并在此基础之上通过与非线性有限元的计算结果的对比，互补性地总结分析得到能够对两者的结果都有提高的有效措施。另一方面模型试验的结果对于数值分析的方法和手段提供了一个真实、可靠的验证途径，从而对于提高数值分析结果的准确性与可靠性具有现实的意义。

然而，采用传统的试验方法对模拟舰船受到水下***瞬时大量级的冲击载荷时难度很大。主要体现在实际舰船尺寸以及试验成本较大不适宜开展试验，既使利用退役舰船做实船试验其结果也不可控，对新型舰艇的防爆抗冲击性能指导意义不是很大；当把实船缩尺到一定尺寸的模型时，如何模拟与模型相对应的冲击载荷难度也不小，无法同时兼顾冲击载荷的瞬时性和大量级。

因此，设计一种能准确模拟出舰船缩尺模型受到水下***冲击载荷的装置，同时满足冲击载荷的瞬时施加特性与水下***冲击载荷的大量级的要求，更加全面地考虑实船受到的载荷特征，对进一步提高模拟舰船的水下***试验结果的精确性有着积极的作用。在分析舰船在受水下***载荷后，得知其甲板由于受到冲击波载荷作用后会受到瞬时压缩作用，因此若要观察舰船甲板在受到水下***载荷后的毁伤和变形状况，只需对甲板及舷侧开口结构施加相应的边界条件，模拟出甲板及舷侧开口结构在冲击波载荷作用下的受力特征即可，大大节省试验成本，也便于研究舰船特定区域的毁伤特性，对舰船结构的局部加强提供可靠依据。通过控制电磁铁开关来实现对冲击载荷施加的掌握，可通过调整冲击铁块重量与冲击距离来改变冲击载荷大小。当电磁铁释放冲击铁块时，冲击铁块落到过渡梁上，过渡梁将冲击载荷均匀分布给待试验的甲板及舷侧开口结构的冲击段。当甲板及舷侧开口结构受到冲击压缩载荷后，在竖直方向上会产生压缩变形，此时过渡梁与甲板及舷侧开口结构上边缘一起下落，直到过渡梁被小钢架支承起，不影响甲板及舷侧开口结构后续的变形，采用DIC设备全程监测甲板及舷侧开口结构的变形。相较于其他人工操作、机械式的加载方式，本发明所阐述的机动性调节冲击载荷大小、将冲击载荷有效传递和均匀分布方式以及采用DIC测量设备整个机制则是一种非常行之有效的思路。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于船体甲板及舷侧开口结构的轴向冲击试验装置，该装置通过对船体及舷侧开口结构施加冲击载荷来实现模拟舰船受到水下***瞬时大量级的冲击载荷的影响，本发明同时兼顾冲击载荷的瞬时性和大量级，使试验过程更加贴近实际情况，对研究舰船的抗毁伤能力和武器系统设计、毁伤效能分析等也具有巨大的指导性意义。

为了实现上述目的，本发明应用的技术方案如下：

一种用于船体甲板及舷侧开口结构的轴向冲击试验装置，包括用于支承试验器材设备和试件工装的地基基础，地基基础上固定有待受轴向冲击的船体甲板及舷侧开口结构，船体甲板及舷侧开口结构的外侧设有支撑装置一，支撑装置一的外侧设有支撑装置二，船体甲板及舷侧开口结构顶部设有过渡梁，过渡梁与支撑装置一对应设置，支撑装置二上设有冲击组件，冲击组件与过渡梁对应设置，船体甲板及舷侧开口结构的前方设有用于观察试验过程中船体甲板及舷侧开口结构变形的DIC设备。

根据上述方案，所述地基基础为混凝土结构，地基基础的一侧开设有一道贯通地基基础设置的倒T字形结构的地基沟槽，待受轴向冲击的船体甲板及舷侧开口结构、支撑装置一与支撑装置二均通过地基螺栓固定于地基沟槽上。

根据上述方案，所述船体甲板及舷侧开口结构上设有孔形槽，船体甲板及舷侧开口结构的底板与地基基础表面贴合，并通过地基螺栓固定于地基沟槽上，船体甲板及舷侧开口结构的边板与支撑装置一的边缘贴合，船体甲板及舷侧开口结构的高度略高于支撑装置一的高度。

根据上述方案，所述支撑装置一包括设于船体甲板及舷侧开口结构外侧的两个小钢架基座以及固定于小钢架基座上的小钢架工字桩，小钢架基座底面与地基基础表面贴合，并通过地基螺栓固定于地基沟槽上，小钢架基座的外边缘与支撑装置二的内边缘贴合。

根据上述方案，所述支撑装置二包括设于小钢架基座外侧的两个大钢架基座以及固定于大钢架基座上的大钢架工字桩，且两侧大钢架工字桩之间固定有横梁，横梁上设有冲击组件，大钢架基座的底面与地基基础表面贴合，并通过地基螺栓固定于地基沟槽上。

根据上述方案，所述冲击组件包括电磁铁与冲击铁块，电磁铁通过连杆与垫板固定于横梁上，冲击铁块吸附于电磁铁上，并与设于船体甲板及舷侧开口结构顶部上的过渡梁对应设置，电磁铁通过控制组件控制。

根据上述方案，所述大钢架工字桩的腹板上开有圆孔，横梁由两侧的顶板与中间的工字梁组成，横梁的顶板外侧与大钢架工字桩的腹板贴合，并通过螺栓组件栓接。

根据上述方案，所述横梁上还设有用于起吊冲击铁块与过渡梁的起吊组件，起吊组件包括固定于横梁上的定滑轮支架以及固定于定滑轮支架上的定滑轮，定滑轮上绕有用于起吊冲击铁块与过渡梁用的绳索，冲击铁块与过渡梁上分别设有便于绳索固定的吊耳。

根据上述方案，所述过渡梁贴合于船体甲板及舷侧开口结构的顶部，过渡梁在沿板架长度方向的截面采用上窄下宽的剖面，过渡梁的两端与支撑装置一的小钢架工字桩对应设置。

本发明有益效果：

本发明采用机械化控制原理，通过控制电磁铁来控制冲击铁块施加冲击载荷，并采用过渡载荷装置将载荷均匀地分布到船体甲板及舷侧开口结构冲击段，使待冲击的船体甲板及舷侧开口结构受到的冲击载荷满足瞬时性和大量级的特性，从而与船体板架在遭遇真实水下***载荷的受力特征相当，令试验结果更好的贴合实际；而目前国内开展船体遭受水下***冲击载荷的试验中，当施加冲击载荷时，常常是考虑大冲击载荷忽略载荷的瞬时性的影响，而考虑冲击载荷的瞬时性时载荷的峰值又不大，因此这种试验方案对试验结果的准确性势必会产生一定影响；本发明通过机械化控制的方法很好地解决了这一问题，对今后船体模型试验的加载装置提供了一定的技术支持，有利于提高船体模型相关试验结果的准确性；同时本发明也具备一定的灵活性，在采用同样的自动化和机械化控制方法的基础上，通过改变工装的布置形式，也可应用于其他需要冲击载荷的试验。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是图1中A位置放大示意图；

图3是图1中B位置放大示意图。

1.地基基础；2.地基沟槽；3.地基螺栓；4.船体甲板及舷侧开口结构；41.孔形槽；5.大钢架基座；6.大钢架工字桩；61.圆孔；7.横梁；8.小钢架基座；9.小钢架工字桩；10.过渡梁；11.定滑轮支架；12.定滑轮；13.垫板；14.连杆；15.电磁铁；16.冲击铁块；17.绳索；18.DIC设备。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

如图1至图3所示，本发明所述一种用于船体甲板及舷侧开口结构的轴向冲击试验装置，包括用于支承试验器材设备和试件工装的地基基础1，地基基础1上固定有待受轴向冲击的船体甲板及舷侧开口结构4，船体甲板及舷侧开口结构4的外侧设有支撑装置一，支撑装置一的外侧设有支撑装置二，船体甲板及舷侧开口结构4顶部设有过渡梁10，过渡梁10与支撑装置一对应设置，支撑装置二上设有冲击组件，冲击组件与过渡梁10对应设置，船体甲板及舷侧开口结构4的前方设有用于观察试验过程中船体甲板及舷侧开口结构4变形的DIC设备18。以上所述构成本发明基本结构。

采用这样的结构设置，通过在地基基础1上设有待受轴向冲击的船体甲板及舷侧开口结构4，在船体甲板及舷侧开口结构4顶部设有过渡梁10，在支撑装置二上设有冲击组件，在船体甲板及舷侧开口结构4的前方设有用于观察试验过程中船体甲板及舷侧开口结构4变形的DIC设备18，其工作原理：试验时，通过支撑装置二上的冲击组件对船体甲板及舷侧开口结构4顶部的过渡梁10进行冲击，从而通过过渡梁10对船体甲板及舷侧开口结构4进行压缩，使船体甲板及舷侧开口结构4变形，通过支撑装置一对压下的过渡梁10以及冲击组件进行支撑，同时起到对压下的过渡梁10进行限位，防止其持续压下，并在此过程中通过DIC设备18进行观察试验过程中船体甲板及舷侧开口结构4变形的情况，以此达到对船体甲板及舷侧开口结构4的轴向冲击试验的效果。

实际应用中，DIC设备18水平放置在地基基础1上，与船体甲板及舷侧开口结构4观测面相距4000mm，便于观察试验过程中船体甲板及舷侧开口结构整体变形。

在本实施例中，所述地基基础1为混凝土结构，地基基础1的一侧开设有一道贯通地基基础1设置的倒T字形结构的地基沟槽2，待受轴向冲击的船体甲板及舷侧开口结构4、支撑装置一与支撑装置二均通过地基螺栓3固定于地基沟槽2上。采用这样的结构设置，将船体甲板及舷侧开口结构4、支撑装置一与支撑装置二通过地基螺栓3定位于地基沟槽2上，地基沟槽2的形状适用于地基螺栓3的安装。

实际应用中，地基基础长宽至少均为6000mm，其中靠近地基基础1的一侧至少500mm位置开一道贯通的地基沟槽2，沟槽形状为倒T字形，其截面尺寸为300mm×60mm/300mm×100mm。

在本实施例中，所述船体甲板及舷侧开口结构4上设有孔形槽41，船体甲板及舷侧开口结构4的底板与地基基础1表面贴合，并通过地基螺栓3固定于地基沟槽2上，船体甲板及舷侧开口结构4的边板与支撑装置一的边缘贴合，船体甲板及舷侧开口结构4的高度略高于支撑装置一的高度。

实际应用中，船体甲板及舷侧开口结构4在施加固支边界条件的面板上在沿板架长度方向上五等分线的中点处开半径为45mm的圆孔，将船体甲板及舷侧开口结构4底板与地基基础1表面贴合，并在地基沟槽2处采用四个地基螺栓3进行固定，以满足船体甲板及舷侧开口结构4的固支边界条件。

实际应用中，地基螺栓3由直径90mm高800mm的圆柱形螺杆、边长60mm高50mm的正六棱柱的头部和内径为90mm圆形外径为边长60mm正六边形的高50mm空心棱柱的螺母组成。

在本实施例中，所述支撑装置一包括设于船体甲板及舷侧开口结构4外侧的两个小钢架基座8以及固定于小钢架基座8上的小钢架工字桩9，小钢架基座8底面与地基基础1表面贴合，并通过地基螺栓3固定于地基沟槽2上，小钢架基座8的外边缘与支撑装置二的内边缘贴合。

实际应用中，将小钢架基座8的一对半径为45mm螺栓孔与地基沟槽2处对齐并采用两个地基螺栓3进行固定，支撑装置一固定安装好用于支承冲击载荷过后落在小钢架工字桩9上的过渡梁10及落于过渡梁10上面的冲击铁块16。

在本实施例中，所述支撑装置二包括设于小钢架基座8外侧的两个大钢架基座5以及固定于大钢架基座5上的大钢架工字桩6，且两侧大钢架工字桩6之间固定有横梁7，横梁7上设有冲击组件，大钢架基座5的底面与地基基础1表面贴合，并通过地基螺栓3固定于地基沟槽2上。

实际应用中，大钢架基座5底面与地基基础1表面贴合，将大钢架基座5的一对半径为45mm螺栓孔与地基沟槽2处对齐并采用两个地基螺栓3进行固定。

在本实施例中，所述冲击组件包括电磁铁15与冲击铁块16，电磁铁15通过连杆14与垫板13固定于横梁7上，冲击铁块16吸附于电磁铁15上，并与设于船体甲板及舷侧开口结构4顶部上的过渡梁10对应设置，电磁铁15通过控制组件控制。

实际应用中，垫板13上表面与在横梁7下翼板正中间贴合，将二者的螺栓孔对齐采用四个M18螺栓进行栓接。垫板13下表面的每条边中点处各有一个螺栓孔，孔直径为28mm。连杆14是由直径30mm的直杆和两端头部组成，两端头部上端与垫板13一侧的螺栓孔采用M18螺栓连接，下端与电磁铁15一侧的螺栓孔采用M18螺栓连接，装配电磁铁15相关设备共采用4个连杆14。将电磁铁15设备固定安装好用于吸附冲击铁块16以及用于释放冲击铁块16。

实际应用中，冲击铁块16其尺寸为500mm×500mm×300mm，作用是对待冲击的船体甲板及舷侧开口结构4施加冲击载荷。

在本实施例中，所述大钢架工字桩6的腹板上开有圆孔61，横梁7由两侧的顶板与中间的工字梁组成，横梁7的顶板外侧与大钢架工字桩6的腹板贴合，并通过螺栓组件栓接。

实际应用中，大钢架工字桩6的腹板上开有两排间距为100mm直径为20mm的圆孔61，圆孔61的排间距为170mm。圆孔61的作用是连接固定横梁7，同时起到调节横梁7高度的作用，将二者两侧的螺栓孔对齐并采用24个M18螺栓进行栓接。

实际应用中，横梁7中间的工字梁的上下翼板开有两排对应的间距为100mm直径为20mm的螺栓孔，两排螺栓孔间距为125mm。起到安装冲击组件与起吊组件的作用。

在本实施例中，所述横梁7上还设有用于起吊冲击铁块16与过渡梁10的起吊组件，起吊组件包括固定于横梁7上的定滑轮支架11以及固定于定滑轮支架11上的定滑轮12，定滑轮12上绕有用于起吊冲击铁块16与过渡梁10用的绳索17，冲击铁块16与过渡梁10上分别设有便于绳索17固定的吊耳。

实际应用中，定滑轮支架11上表面在横梁7下翼板中线位置两侧距1000mm位置，并将二者的螺栓孔对齐，采用2个M18螺栓连接固定。定滑轮支架11下缘与定滑轮12采用M18螺栓相连接。将定滑轮12设备组装固定好可用于使绳索17绕过定滑轮12来起吊冲击铁块16和过渡梁10。

实际应用中，绳索17的一端固定于驱动组件上，通过驱动组件对绳索17进行回收与放绳。

在本实施例中，所述过渡梁10贴合于船体甲板及舷侧开口结构4的顶部，过渡梁10在沿板架长度方向的截面采用上窄下宽的剖面，过渡梁10的两端与支撑装置一的小钢架工字桩9对应设置。

实际应用中，所述过渡梁10在沿板架长度方向的截面采用上窄下宽的剖面，底面长3000mm，顶面长500mm，其宽恒为500mm，其作用为将载荷均匀地分布到船体甲板及舷侧开口结构4冲击段。

需要说明的是，过渡梁10的初始位置是与船体甲板及舷侧开口结构4顶板重合，待冲击试验开始后过渡梁10跟随船体甲板及舷侧开口结构4的变形进行下落，最终被小钢架工字桩9所支承。

本发明设计了用于船体甲板及舷侧开口结构的轴向冲击试验装置，它的实施过程包括以下步骤：

步骤1)：根据船体甲板及舷侧开口结构4所要受到的冲击载荷的大小计算出所需冲击铁块16的重量以及尺寸、距离载荷过渡梁10的距离以及过渡梁10的重量；

步骤2)：按照一定的顺序将工装吊装到指定位置，按照要求安装固定；

步骤3)：调试DIC设备18，进行调零等试验前准备工作，直至符合试验要求为止，开始试验前打开进行监测；

步骤4)：打开电磁铁15开关，释放冲击铁块16，对待冲击船体甲板及舷侧开口结构4开始进行冲击试验。

本发明适用于现有的船体甲板及舷侧开口结构试验中对大量级的冲击载荷的等效模拟，对目前的待冲击模型试验施加小量级的冲击加载方案是一种有益的补充。尤其是对目前国家海军大力研发制造的作战舰艇提高抗冲击能力，减少遭遇水下***受到致命性毁伤，模拟出较真实的冲击载荷有着重要的意义。因此通过实际水下***冲击力与本发明所施加的冲击载荷的等效转化的方法，很好的解决了目前船体甲板及舷侧开口结构4试验中对大量级的冲击载荷的模拟，使试验过程与实际情况更加贴切，试验过程更具有说服力。

另外，本发明所述的带有地基沟槽2的地基基础1、大钢架基座5、大钢架工字桩6、横梁7、小钢架基座8、小钢架工字桩9、过渡梁10应做好润滑保养与维护，提高其使用寿命。

以上对本发明实施例中的技术方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。