[科普中国]-着水载荷测量

载荷

引起结构失去平衡或破坏外部作用主要有:直接施加在结构上的各种力，习惯上称为荷载，例如结构自重(恒载)、活荷载、积灰荷载、雪荷载、风荷载;另一类是间接作用，指在结构上引起外加变形和约束变形的其他作用，例如混凝土收缩、温度变化、焊接变形、地基沉降等。

荷载标准值结构设计时采用的荷载基本代表值，也就是在荷载规范中所列的各项标准荷载。标准荷载在概念上一般是指结构或构件在正常使用条件下可能出现的最大荷载值，因此它应高于经常出现的荷载值。用统计的观点，荷载的标准值是在所规定的设计基准期内，其超越概率小于某一规定值的荷载值，也称特征值，是工程设计可以接受的最大值。在某些情况下，一个荷载可以有上限和下限两个标准值。当荷载减小对结构产生更危险的效应时，应取用较不利的下限值作为标准值；反之，当荷载增加使结构产生更危险的效应时，则取上限值作为标准值。又如各种活荷载，当有足够的观测资料时，则应按上述标准值的定义统计确定；当无足够的观测资料时，荷载的标准值可结合设计经验，根据上述的概念协议确定。

简介结构物入水有着广泛的工程背景，如水上/水陆两栖飞机、地效翼船及宇宙飞船的水面降落、陆机的水上迫降、船舶的舶部砰击、水中兵器的空投入水等问题。结构物入水是典型的流固祸合问题，结构受冲击的同时也会激起流体的运动，撞击过程中结构的运动与变形又会影响流体的运动，整个过程一直存在流体与结构的藕合作用，作用过程复杂。

入水冲击载荷历程短、峰值高，容易引起结构破损、仪器失灵、控制失效、人员伤亡等危害，因此开展结构物入水载荷研究具有重要的工程应用价值。由于入水问题的复杂性，工程实际问题理论分析困难，因此试验及数值方法成为了开展相关研究的主要手段。

Chuang通过试验分析了平底结构及小斜升角楔形体的刚体入水问题，指出对于小斜升角入水问题不应忽略空气垫效应。Ei-Mahdi 等提出了一种用于预测最大着水冲击压力的方法，并通过实验验证了该方法的有效性。陈震应用 MSC． Dytran 软件对平底结构入水过程中空气垫对砰击的影响进行了分析，得出砰击压力的峰值主要是由空气层的压缩而产生的结果，并研究了砰击压力峰值系数同入水角度和入水速度的关系。陈小平等应用试验与数值方法分析了弹性效应对楔形体的砰击压力和结构应力响应的影响。骆寒冰等考虑了水弹性效应，采用 ALE 显式有限元方法开展了数值预报工作。孙辉等应用试验方法对斜升角、板厚、落高及配重对二维楔形体入水冲击响应的影响进行了研究。莫立新等对楔形体刚度对冲击响应的影响进行了试验研究。闫发锁通过相关的理论和试验对比研究了圆球倾斜入水冲击压力的性质，用理想不可压流体中气泡的非线性振动方程解释了冲击压力下降阶段出现的振荡性质。

褚林塘给出了楔形体入水过程中的压力时程变化及压力分布的试验与数值对比结果，对截面构型、重量、入水速度三个主要因素对着水载荷的影响进行了探讨。得到的主要结论如下：

（1）楔形体各测点压力时程变化趋势和压力分布的试验值与数值结果吻合较好，验证了数值方法的有效性;耦合算法带来的数值噪声引起仿真结果较试验值普遍偏大，但其对于水陆两栖飞机的载荷预报是偏于保守的，可满足工程需要，后续可对耦合参数的合理选取做进一步的研究。

（2） 楔形体重量及入水速度越大，着水冲击载荷越大，但底部压力沿横截面方向分布趋势相同;带舭弯模型较无舭弯模型对重量和速度的变化更敏感。

（3）无舭弯的横截面局部压力沿横向从大到小非线性分布;有舭弯的船底局部压力沿横向呈大-小-大非线性分布。1

水载荷试验主要测试参数由在机身底部布置的若干压力传感器以及机身内部布置的加速度传感器、陀螺仪等试验仪器，测量水陆两栖飞机在着水过程中机身底部受到的水载荷、姿态角以及加速度。

水载荷试验方法研究根据傅汝德定律，水载荷试验以傅汝德相似准则为依据进行模型设计、水池试验及试验数据处理，在整个试验过程中需对模型的重量、重心和转动惯量进行模拟。

理论上为了完全模拟飞机的整个着水过程，模型试验需要保证模型具有六个自由度。实际上在试验中，一般只需测量飞机着水时刻飞机承受的过载、姿态角变化及底部的压力分布，不考虑飞机着水后的运动过程，沿飞机翼展方向的侧移、绕X轴的滚转运动和绕Z轴的偏航运动这三个运动是可以忽略的。这样做可以极大的增加水载荷模型的加工空间，减轻惯量调试工作难度，缩短水载荷试验的时间。2