[發明專利]一種超大型集裝箱船綁扎橋結構力學行為的測試方法

有效

• 申請號: 202010747315.8
• 申請日: 2020-07-29
• 公開（公告）號: CN111929017B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 王德禹;李春通;馬寧;蔡忠華;李喆
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02;G01M5/00;G01N3/08
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 楊宏泰

本發明涉及一種超大型集裝箱船綁扎橋結構力學行為的測試方法，包括以下步驟：1)構建耦合結構有限元模型；2)通過靜力學分析獲得耦合結構原型的平均剛度，并通過動力學模態分析獲得耦合結構原型的低階模態頻率和振型；3)綁扎橋結構的等效變換；4)橫艙壁結構的等效變換；5)構建綁扎橋和橫艙壁耦合結構的縮尺模型；6)搭建綁扎橋結構靜力學試驗裝置，進行靜力學試驗；7)搭建模態試驗裝置，并進行模態試驗；8)進行試驗結果與數值模擬結果對比分析并修正有限元模型。與現有技術相比，本發明能快速有效的偵測到裝箱船綁扎橋的剛度、低階固有頻率及振型特征，克服原型結構試驗測試過程中，對場地、加載設備、人員和經費等需求較高的限制。

技術領域

本發明涉及機械制造及結構力學領域，尤其是涉及一種在實驗室條件下實現超大型集裝箱船綁扎橋結構力學行為的測試方法。

背景技術

傳統的綁扎橋結構一般由方管或帶有上下平臺的組合立柱支撐組成，用以抵抗甲板上集裝箱堆垛因船舶運動產生的慣性力矩。對于大型和超大型集裝箱船，甲板上的集裝箱堆垛已經超過12層，且占據總裝箱數的60％以上。綁扎橋的設計不僅關系到船舶的實際裝箱數和貨物堆重布置的靈活性，還會影響到船舶主尺度的選擇。為了提高經濟效益，擴大裝箱數目，綁扎橋結構的長度越來越長，但是寬度始終不超過1.2m，綁扎橋的高度從現有的一層和二層增加至四層和五層高度的綁扎。以一條已經通過驗審的20000TEU集裝箱船尾部綁扎橋結構為例，綁扎橋總長約58.325m，高約13.871m，寬度為1.250m，重量達到72t。因此，超大型集裝箱船的綁扎橋結構的體積和質量越來越大，長寬比較大的結構特征也越來越明顯。近年來，設計人員逐漸采用輕量化的設計方案，比如綁扎橋立柱由原來的均值壁厚的矩形鋼管改為不同壁厚的矩形鋼管進行分段焊接而成；立柱由矩形方管改為工字型結構，這種設計在降低綁扎橋結構重量的同時，增加了制造工藝的復雜程度。

目前對綁扎橋結構力學特性的探究，主要是采用有限元方法。各船級社對綁扎橋有限元模型構建的細節進行了不同程度的說明。比如中國船級社(CCS)規范定義綁扎橋有限元網格大小100mm，綁扎橋立柱支撐的根部定義全約束，忽略橫艙壁結構對綁扎橋的影響。對于綁扎橋結構的靜強度校核過程中，CCS規范定義綁扎力的大小為175KN，LR規范定義上層的綁扎力定義為綁扎桿安全工作載荷(245kN)的75％，下層綁扎點的綁扎力為安全工作載荷的50％。綁扎橋結構屬于大型舾裝件，而20000TEU尾部綁扎橋單側綁扎點數目就高達一百個，因此，在原型結構上展開靜力學實驗測量是非常困難的。并且在實際的海洋運輸過程中，綁扎橋往往表現出較高的振動響應，在探究結構的模態特征時，直接對笨重的原型結構進行激振，需要提供足夠的激振力和布置足夠多的傳感器，這在現實條件下幾乎是不可能實現的。

綁扎橋結構的CAE分析是綁扎橋結構設計的重要一環，但是對于新型設計的綁扎橋仍然需要進行試驗驗證。一方面用于驗證數值結果的準確性及數值模型的修正，另一方面探究綁扎橋結構最真實的力學行為。但是目前的規范和研究忽略了橫艙壁結構為綁扎橋提供的彈性邊界條件。綁扎橋在參與堆垛系固工作時，整體體現的剛度應該是橫艙壁和綁扎橋共同體現出來的，橫艙壁的建模范圍應該得到確認。海運過程中，當遭遇惡劣天氣時，綁扎系統的失效將導致集裝箱丟失事故。綁扎橋的剛度應當得到確認，但是不同的規范對綁扎橋結構剛度的建議值差異性比較大。比如，LR規范建議一層綁扎橋的平均剛度為20kN/mm，兩層綁扎橋的平均剛度為15kN/mm，三層綁扎橋的平均剛度為10kN/mm，四層綁扎橋的平均剛度為5kN/mm。BV規范將綁扎系統(包含綁扎橋、綁扎桿和花籃螺絲等)的剛度定義為綁扎組件(綁扎桿和花籃螺絲)的剛度乘以一個縮減系數，這個縮減系數的取值與綁扎橋和綁扎方式有關，總體來講，對于綁扎橋和綁在系統剛度的定義都是非常粗糙的，而綁扎橋的剛度直接影響運輸過程中堆垛的動態響應和安全，在指定綁扎計劃之前，應該以試驗和更嚴格的數值模擬確認綁扎的剛度，但是國內外在此方面的研究尚沒有突破性進展。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種超大型集裝箱船綁扎橋結構力學行為的測試方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：