在轮载下的甲板结构设计外文翻译资料

 2022-07-28 14:12:52

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在轮载下的甲板结构设计

R.I.Jackson

摘要：一系列结合并行数值研究的焊接钢质飞行甲板板格模型的横向（侧向）荷载试验结果被得到。试验和数值结果在文中被讨论，针对于不同水平下加筋板永久变形，板厚计算的无量纲设计曲线可以被推导出来。

1.引言

在车轮载荷作用下的甲板结构行为是滚装船、集装箱船、搭载直升机的海军护卫舰和海上平台直升机停机坪设计者所关注的船舶结构设计方面之一。

涉及到在横向（侧向）和平面荷载共同作用下的大弹性挠度船体板的广泛理论和实验研究已经进行着。Ref.1包含着详细的参考文献目录。Ref.2介绍了Hamlum特别地研究产生于车辆车轮比如叉车集装箱船局部甲板载荷作为线弹性问题。Ref.3介绍了Sandvik进行了更深层次地探讨。这里，采取的载荷超出了弹性范围的板的变形的非线性效应的影响被研究，一个基于实验测试的设计准则针对于两倍于板料屈服应力的人工允许最大应力被提出。Jones（Ref.3）和Spreide(Ref.4)在进行在局部载荷作用下的甲板弹塑性理论研究中使用了Ref.3中的实验结果。

这些针对受到侧向载荷的板关于超出实验研究的对于参数变化允许永久的固定物通用适用性的弹塑性设计方法讨论没有被提出。然而，在Ref.6里，Clarkson提出针对均布载荷情况下的无量纲设计曲线方法。最近的文章发表满足了对局部载荷情况下的类同设计方法的需求。

一系列的在轮载作用下的甲板结构试验在英国海军海洋技术研究所(AMTE)进行，作为支持优化结构设计方法的项目工作一部分。结合理论研究，在Glasgow大学进行的平行的数值研究可以进行一些列可变化的设计研究。作为这些分析的结果，无量纲设计曲线的提出可以为设计者计算在轮载作用下的允许加筋板的永久变形的所满足的甲板板厚。

2.研究思想

2.1设计思想

由于停放的飞行器，甲板承受着的载荷包括有飞行器的重量，船舶运动惯性载荷，飞行器束缚力和风载荷。滚装船和集装箱船的车辆的车轮也承受着惯性载荷和车辆的重量。当设计甲板来承受这些载荷，加强筋承受屈服和限制疲劳，来保护其承受即时的在极少情况下的急剧的船体运动和来承担全部的在频繁突然载荷下变形。

然而，对于飞行器着陆载荷情况有点特殊。甲板承受着陆载荷是概率性的，取决于假定的情形，比如下降的速率和姿势，飞行器起落架的树脂油，垂直推力和甲板自身的动力响应等因素。下限着陆载荷与低下降速率的普通着陆情形有关，相反上限着陆载荷仅仅可以通过“即时的”和“紧急的”着陆情形进行数据评估。

显然地，关于甲板加强筋和板整个弹性设计有可能是过分地保守的，是因为在板的考虑周全的屈服后的强度储备上没有优势。因此，一套弹塑性理论被提出，加强筋的尺寸按照整个加筋板板架为弹性范围内来设计的，板厚是由许可永久变形决定的。

一个合理的方法可以形成出针对飞行甲板板的步骤来分析无量纲基础下来着实验的数据，并与并行的数值研究的结果相关联。一旦两种研究达成一致，数值研究就可以用来提供超出实验参数范围的数据，这是一种进行研究的方法。

2.2设计参数

2.2.1设计所提出的参数

Ref.7和Ref.8中介绍了由于所假设的边界条件在侧向均布载荷作用下板的弹塑性行为取决于a/b比值和板的细长度参数

这里，b=板的宽度，t=板厚，sigma;y=材料屈服应力，E=杨氏模量。

Ref.6通过使用永久变形参数，板的性质可以被更深层次的无量纲化

和压强参数这里s=板中心的永久变形，p=均布载荷，为了考虑到局部载荷，重新定义的压强参数作为载荷参数是很方便的，这里P是在甲板的中心的施加的载荷。

这些参数与设计应用有着直接的联系。例如，对这些设计者在指定可允许永久设置为s/b而不是作为s/t有着实际优势，尽管这两个比例因子有着联系，这关系式为s/t=CbCs。更深层次的，由于在数学观念上非常少的板实际上制造成船舶结构是平的，定义两个深层次的可变因素是有用的。

So=板中心的初始变形，Sp=施加载荷P导致的永久变形。

显然由于s=so sp，相应的永久变形参数会是Cs=Cso Csp。这是很方便的去定义一个变形参数

这里d是整个中心变形。

将一个飞行器车轮接触区域理想化为一个长度为A和宽度为B的长方形小块是很普遍的。因此这个小块形状可以被A/B定义，板的宽度和块体的宽度可以被b/B比例描述。

这三个参数Cb，Cp，Cs将变化因素的数量减少为可管理的数量，但是在这些参数中下面没有被考虑：

（i） 板的长宽比

（ii） 块体的形状

（iii）板的宽度与块体宽度比值

（iv） 板中的残留应力

（v） 车轮上的单胎或双胎

文章中描述的实验项目和非线性数值工作系统研究了一些可变因素对在轮载作用下的甲板行为的影响。

2.2.2可变因素的实际范围

对存在于英国战舰和皇家舰队辅助船的飞行甲板的初步研究可以来建立所涉及到的可变因素的大约范围。在a/b大致范围为1.0-8.0大多数比值低于3.5的，大多数b/B大致范围为1.5-6.0下，Cb的确定范围为1.0-4.0，从飞行器的轮胎特性可得到的数据，很明显A/B大约为2.0。实际上与so和Cs相关的数据是不好得到的，尽管一个可视为最大设计值的Cs=0.6（相对应的s/b=1/50对于低碳钢来说）作为定义一个范围目的用的被认为是不合理的。标定设计值Cp可被发现大致低于2.0，但是能够超出以一个很低数值Cb数字大小。

2.2.3车轮上的单胎和双胎

研究在来自相同车轮轴向双胎荷载作用下的面板性质不是目前探讨的范围。到目前为止，由于考虑到静态载荷，挪威船级社（Det norske Veritas ）规范可以当做是普通指导。如果P是由带有单胎的车轮施加的，此时如果单胎被双胎所代替，载荷就变为仅有0.6P。

甲板所承受的载荷然而在某种程度上取决于双胎的相互分隔，相对于板的宽度理想化的考虑到的轮胎分隔。在这种状态下，超出了DNV规范没有提出任何设计建议。

2.2.4可接受的永久变形

过多的加强筋固定设置会导致下面的问题：

（i）甲板上水的聚集，如果不能高效的排放，这会给飞行器的着陆带来危险。

（ii）对于很低矮的车辆，比如集装箱船上的叉车或者是战舰上的载着武器带有车轮的小台车。

（iii）车辆和直升机很难人工推动。

明显地，得到详细的建议是不可能的，但是一个可接受的永久变形b/50是一个适合的设计数值对于在着陆区域的飞行甲板来说。尽管很有必要记住的是初始变形超过这些值，但是b/100数值对于甲板停放区域也许不是现实的和保守的。

2.3动态效应

2.3.1停放车辆和着陆飞行器

在贯穿整个的实验和数值研究中所施加的隐性载荷P必须是静态施加的。在实际停放的车辆情况中，由于船舶的纵摇和垂荡运动，增加的静态惯性载荷需要考虑。当考虑到的停放的飞行器横向运动也很重要。在着陆飞行器的情况中，用来设计载荷参数Cp的P数值与静态载荷是等效的，可以从冲击放大因子应用到在实际问题中着陆载荷中获得。

这样的着陆载荷可以一些方法指定。比如，它可以被增大大约1.5因子的最大起飞重量表示。对于甲板设计者来说一个合适的特定的针对于单个车轮或者树脂油的着陆载荷然而非常有意义，由于适用于起落架的机头、机尾和主轮组件的着陆载荷没有必要承担任何不具体的如同空中飞行重量，也不用承担联系这些组件的静态停放载荷。

2.3.2动态响应

假设甲板的固有频率可以被估算，并且假设飞行器起落架树脂油的加载时间性质知道，将这个系统视为一个只有一个影响因子可以计算的自由度的系统。飞行器的树脂油腿和橡胶轮胎有着相当小的刚度，吸收着飞行器的动能（与甲板结构一起），易于将飞行器的质量从振动系统分离开来。对于一个舰船，甲板结构的固有频率大约为20Hz，然而带有加筋板的固有频率大约为50Hz。

现代小型舰载直升机的起落架树脂油加载时间历程由于下降率可以使时间上升到最大量大约为0.02-0.04s，取决于树脂油的关闭性质和一些因素比如漂移速度和滚动。对于以很高的下降率的更大的直升机，可以利用0.1s时间来达到载荷的峰值，并且以更低的速度所消逝的时间可以与1s钟一样长。

这些计算基于着陆于刚性表面的直升机的响应，在这种情况下的一个上升的时间0.02s可以很好的导致与甲板带有频率的作为引用有意义的相互接触。然而，非刚性甲板比如考虑的那些不会提供如此急剧上升的时间是很有可能的，因此减少了二和有标记的互相接触的几率。影响因子可能被预料到没有整体大，尽管仅仅一个完整的动态响应就可以解决这个问题。

2.3.3飞行器着陆设计案例

想到飞行器正在着陆时的状态，如果它正在向甲板加速升力小于重力，这可以被说为“部分机载”，并且当升力等于重力时可以称为“完全机载”。对于着陆载荷的两种设计案例是普通地定义：一个“平缓”或者“正常”着陆案例有着很低的下降率，部分机载；一个“极限的”和“紧急的”着陆案例有着很高的下降率，完全机载。指定下降率的实际值会是出于经验的随机的。在极限载荷的应用下，树脂油和轮胎被允许在底层。

2.3.4影响因子

从先前的章节可以清晰地知道考虑到要使用的影响因子广泛建议不能被得到，由于每种情况有着它自己的特点。然而，对于所引用的小型直升飞机着陆在一个典型的轻型战舰甲板上的例子，平均因子为1.2，和1.5可以用来设计和分析板和刚化程度。如果没有考虑应变率的影响，板的影响因子略微不会改变（见章节5.4.4）。

3.实验研究

3.1飞行甲板板格模型的描述

3.1.1制造

整个尺寸为7.2mtimes;3.6m钢质飞行甲板板格模型被英国海军海洋技术研究所(AMTE)制造。这个板格用了低碳钢的标准军用T型材进行加筋，这个板通过用一条接近于板格中心的纵向对接焊缝将两块列板焊接在一起。这板格原始由间矩为450mm和1800mm的纵向梁和横向肋骨建造而成。为了提供板的长宽比a/b=1,2,4,8范围，额外的加强筋顺序地添加。采用单独面板的进行编号和字母系统的最后板格模型的形式如Fig.1所示。

纵向对接焊缝是位于带板的跨中位置，由编号6指定。超过一半的板格组成的列板由编号7007鉴别，其他的列板编号为7008。两种板材的材料属性可以由标准的拉伸试验测量得到，如Table1所示。在焊接在一起之前，板厚由厚度千分尺测量得到。

3.1.2焊接引起的残余应力

在板上焊接加筋板时，使用了比较三种不同焊接工序的普遍船厂焊接技术。使用工序如下：

（i）加强筋腹板两边连续同步焊；

（ii）使用1830mm的步长进行逆向分段焊接；

（iii）加强筋腹板一边先进行连续焊，再进行另一边的连续焊。

在每种情况中焊接从板的中心开始。焊接产生的残余应力可以通过冲压成板的导致引伸计测量仪器的半球形缩进的方法进行演绎。

加工完成后的板格上的加强筋如图Fig.2所示。

3.1.3初始变形

每块面板的初始形状由板格的最终测试位置进行测量，这样一旦建立了最初的变形值可以避免板格的移动。由于将板架放置在钢质支撑工具上，钢质支撑工具放在水平地面上，支撑着板格的末端横向梁。通过摆放与板架一小段距离的三脚架上的激光器来进行测量。激光器可以扫出一个接近板架板表面的水平参考面。附在小型磁性基座上的由竖直线上的光标构成的设备放置在板的表面上，调节激光器使梁到板架的距离可以得到。每块面板中心上的初始变形

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